重金屬離子對(duì)納米二氧化鈦的粒徑及表面電位影響

1、重金屬離子對(duì)納米二氧化鈦的粒徑及表面電位影響摘要： 隨著納米科技的迅速發(fā)展，納米材料廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、食品、日用品、醫(yī)藥等領(lǐng)域。在納米材料廣泛應(yīng)用的同時(shí)，其不可避免地會(huì)被釋放到環(huán)境中(包括空氣、水體和土壤)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。本文研究了重金屬離子對(duì)納米二氧化鈦的物性影響，主要分析溶液pH=3 時(shí)其作用產(chǎn)物的粒徑與Zeta電位。關(guān)鍵詞：重金屬，納米二氧化鈦，粒徑，Zeta 電位Abstract: With the rapid development of nano technology, nano materials are widely used in industry, agric

2、ulture, food, daily necessities, medicine and other fields. At the same time, it is inevitable to be released into the environment (including air, water and soil), which has a negative impact on the ecological system. The effect on the physical properties of nano TiO2 metal ions was studied in this

3、paper. The particle size and zeta potential of nano TiO2were analyzed in solution different pH and the aggregation time was analyzed in pH=3 in particular.Key words: Heavy metal, nano titanium dioxide, particle size, Zeta potential1. 引言：在納米材料的廣泛應(yīng)用的同時(shí)，不可避免地被釋放到環(huán)境中，其對(duì)環(huán)境潛在的負(fù)面影響不容忽視。國(guó)際著名學(xué)術(shù)刊物Nature和Scien

4、ce多次發(fā)表文章，討論納米技術(shù)與納米材料對(duì)人體健康、生存環(huán)境等方面潛在的負(fù)面影響( Service, 2003； Brumfiel,2003 ； Colvin, 2003； Zhaoet al., 2006) 1。納米材料的安全性問題，日益受到世界各國(guó)政府的關(guān)注，相繼投入大量資金開展納米材料對(duì)健康和環(huán)境安全性評(píng)價(jià)的研究。目前相關(guān)的工作主要是通過(guò)鼠科動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、細(xì)胞培養(yǎng)來(lái)研究納米材料的毒性(Fioritoet al., 2006 ； Cui et al., 2005； Jia et al., 2005；Zhang et al., 2003； Chen et al., 2006) ，但納米材料進(jìn)入環(huán)

5、境后的行為，卻鮮有報(bào)道6。納米材料在環(huán)境(包括大氣、水體和土壤)中的遷移、轉(zhuǎn)化、歸趨等復(fù)雜行為，以及對(duì)生態(tài)系統(tǒng)潛在的毒性效應(yīng)，是全面評(píng)價(jià)納米材料安全性的重要組成部分。本研究即是研究重金屬的存在對(duì)納米二氧化鈦物理性質(zhì)，為其在環(huán)境中的影響提供理論依據(jù)。2. 實(shí)驗(yàn)2.1 實(shí)驗(yàn)藥品納米二氧化鈦溶液、NaCl、NaOH、HCl、Cu(NO 3)2 3H2O、QCrzO?、Pb(NO3)2、Zn(NO 3)2 6H2O以上均為分析純?cè)噭约叭ルx子水。2.2 實(shí)驗(yàn)方法2.2.1 配置實(shí)驗(yàn)試劑用250mL容量瓶分別配置 5mg/mL的Cr2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+溶液。稱取 5.85gNaCl 分析

6、純晶體配置0.001mol/mL 的 NaCl 溶液。配置0.1mg/mL的TiO2溶液。分別取 0.5mL 含 Cr2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+溶液(均為 5mg/mL)、0.05mLNaCl 溶液( 0.001mol/mL ) ，配置成50mL 混合溶液，將pH 分別調(diào)至3/4/5/6/7/8/9/10。分別取 0.5mL 含 Cr2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+溶液(均為 5mg/mL)、0.05mLNaCl 溶液( 0.001mol/mL ) ，配置成50mL 混合溶液，調(diào)節(jié)pH 至3。2.2.2 檢測(cè)分析在用 ZetaSize 分析儀送樣檢測(cè)前，取1.5mL 配置好的納米二氧

7、化鈦試劑于配好的試劑中，混合均勻后立即裝至樣品池中進(jìn)行檢測(cè)其粒子粒徑與Zeta 電位 2。3. 結(jié)果與結(jié)論3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理3.1.1不同pH下各重金屬離子對(duì)納米二氧化鈦的影響 （1）不同pH下，Cr2+對(duì)納米二氧化鈦的物性影響PH3.134.135.156.237.048.078.949.93粒徑（nm）1186138.4123.8128.4127.8123.4122.1127.0PH3.154.024.945.976.918.108.979.95粒徑（nm）557.9130.4129.5132.6131.7134.7133.3134.4PH3.274.285.026.117.128.21

8、9.069.96粒徑（nm404.2124.1130.6133.1138.1133.3130.5130.44（4）不同pH下，Cu2+對(duì)納米二氧化鈦的物性影響PH3.163.965.135.957.127.939.0610.09粒徑（nm1041153.9122.9124.0125.5128.4127.4130.83.1.2在不同結(jié)合時(shí)間下各重金屬離子對(duì)納米二氧化鈦的影響 (1)溶液pH=3時(shí)Cr2+對(duì)納米二氧化鈦的物性影響C產(chǎn)0min 3min 6min 9min 12min 15min 18min 21min 24min 27min粒徑(nm216.6 230.2 253.2 276.8

9、318.5406.8410.9551.5694.8819.9Zeta 電位 (mv)-16.6-17.6 -18.4 -19.4-18.6-18.6-19.9-19.0-18.3-18.7_ 2+Pb0min3min6min9min12min15min18min21min24min27min粒徑(nm)228.8257.1323.9452.2618.4787.9951.7112011541388Zeta 電位 (mv)-16.2-18.1-18.0-16.7-16.4-16.7-17.2-15.5-15.9-16.2PHT時(shí)PH&對(duì)納米一氧化鈦的粒徑彩響PHT時(shí)Pb計(jì)時(shí)納米二氧化鈦的在

10、出電位影響-m 1W0單假I出 14.0(3)溶液pH=3時(shí)Zn2+對(duì)納米二氧化鈦的物性影響2+Zn0min 3min 6min 9min 12min15min18min21min24min27min粒徑(nm)229.6 248.7 304.6 338.3 399.2562.4551.6666.2760.6847.5Cu"在不同pH下對(duì)納米Ti%的影響(2)溶液pH=3時(shí)Pb2+對(duì)納米二氧化鈦的物性影響Zeta 電 位 -16.1-17.8 -19.6 -17.6-17.4-17.1-16.5-17.2-17.0-16.2(mv)(4)溶液pH=3時(shí)Cu2+對(duì)納米二氧化鈦的物性影響

11、Cu2+0min3min6min9min12min15min18min21min24min27min粒徑245.2318.6410.4464.2643.3730.3913.2998.011171363(nm)Zeta電位-15.4-16.4-16.7-17.5-16.4-16.1-16.6-16.7-15.2-14.7PH石時(shí)Cu對(duì)納米二氧化鈦的粒徑影響單佐Mil1600(mv)3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析之所以納米二氧化鈦可以長(zhǎng)期保持分散懸浮狀態(tài)的特性，正是因?yàn)榇嬖凇澳z體穩(wěn)定性”。膠體穩(wěn)定性包括“動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定”和“聚集穩(wěn)定”兩種。動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性系指顆粒布朗運(yùn)動(dòng)對(duì)抗重力影響的能力。膠體粒子很小，布朗運(yùn)動(dòng)劇

12、烈， 本身質(zhì)量小而所受重力作用小，布朗運(yùn)動(dòng)足以抵抗重力影響，故而能長(zhǎng)期懸浮于水中。 粒子愈小，動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性愈高 網(wǎng)。聚集穩(wěn)定性系指膠體粒子之間不能相互聚集的特性。膠體粒子很小，比表面積大從而表面能很大，在布朗運(yùn)動(dòng)作用下，有自發(fā)地相互聚集的傾向，但由于粒子表面同性電荷或斥力 作用或水化膜的阻礙使這種自發(fā)聚集不能發(fā)生。不言而喻，如果膠體粒子表面電荷或水化膜消除，便失去聚集穩(wěn)定性，小顆粒便可相互聚集成大的顆粒，從而動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性也隨之破壞，沉淀就會(huì)發(fā)生，小顆粒便可相互聚集成大的顆粒，從而動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性也隨之破壞，沉淀就會(huì)發(fā)生。因此，膠體穩(wěn)定性，關(guān)鍵在于聚集穩(wěn)定性7。在本實(shí)驗(yàn)，二氧化鈦與金屬之間的作用主要

13、是金屬離子的電性中和，其作用是壓縮膠體雙電層一一為保持膠體電性中和所要求的擴(kuò)散層厚度，從而使膠體滑動(dòng)面上的E點(diǎn)為降低。七=0寸稱等電狀態(tài)，此時(shí)排斥勢(shì)能消失。實(shí)際上，只要將 士電位降至一定程度(如七=kl使排斥能峰Emax=0,膠體便發(fā)生聚集作用網(wǎng)。3.2.1 溶液pH對(duì)納米二氧化鈦的物性影響由于各種金屬離子在不同 pH值溶液中會(huì)發(fā)生不同程度的電離作用，從而影響納米二氧化鈦表面的雙電層特性，繼而影響其顆粒絮凝程度3 。因此，我們首先研究了不同金屬離子在不同 pH 值時(shí)對(duì)納米二氧化鈦的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)2.1.1 圖表發(fā)現(xiàn)其變化趨勢(shì)相同，即僅在pH=3時(shí)影響最大，在其他 pH值時(shí)影響甚彳故將 pH=3

14、時(shí)的情況又單獨(dú)進(jìn)行試驗(yàn)。查得這四種金屬離子在溶液pH>4 時(shí)均會(huì)發(fā)生不同程度的水解，從而對(duì)納米二氧化鈦的影響不大。而當(dāng)溶液pH 控制在 3 左右時(shí)，溶液中金屬離子主要以離子形式存在，進(jìn)而納米二氧化鈦與其發(fā)生作用，產(chǎn)生絮凝5 。3.2.2 結(jié)合時(shí)間對(duì)納米二氧化鈦的物性影響對(duì)實(shí)驗(yàn) 2.1.2 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及分析，不難發(fā)現(xiàn)，初始納米二氧化鈦粒徑幾乎一致，隨著時(shí)間變化，其粒徑均在持續(xù)上升，其中Cu2+與Pb2+對(duì)其影響更大，但是Zeta電位并沒有明顯的上升，但是可以看出其有上升趨勢(shì)?？梢酝茰y(cè)，金屬離子可以促進(jìn)納米二氧化鈦的絮凝。查金屬活動(dòng)性順序，Zn、Cr、Pb、Cu的電勢(shì)能(f)A/V分別為

15、：-0.762、-0.744、-0.126、+0.342，可知，Cu 與 Pb 的金屬活動(dòng)性不強(qiáng)，其對(duì)應(yīng)水溶液離子則表現(xiàn)為氧化性，在pH=3條件下促進(jìn)溶液水解電離，從而影響納米二氧化鈦表面雙電子層特性，繼而促進(jìn)了其絮凝4 。4. 結(jié)論與展望通過(guò)測(cè)定不同金屬離子在不同pH 及不同時(shí)間下對(duì)納米二氧化鈦的粒徑以及Zeta 電位E,研究結(jié)果表明，不同金屬離子在pH=3溶液條件下，可以迅速使納米二氧化鈦溶液產(chǎn)生絮凝，其中 Cu2+與Pb2+對(duì)其影響更大，主要表現(xiàn)在其絮凝速率更快。所以可以認(rèn)為，金屬 離子在一定程度上影響了納米二氧化鈦的物理性質(zhì)，主要表現(xiàn)在壓縮膠體雙電層，進(jìn)而促進(jìn)其產(chǎn)生絮凝，降低了納米材料

16、的比表面積，從而導(dǎo)致吸附能力下降?？梢酝普?，當(dāng)納米顆粒 進(jìn)入環(huán)境可能會(huì)與金屬離子發(fā)生作用，其所在的水環(huán)境的酸堿度、流入時(shí)間均會(huì)影響其自身的物理性質(zhì)，進(jìn)而可能影響其對(duì)環(huán)境的毒理性。具體對(duì)環(huán)境有何影響，還需要更加深入的研究。5. 致謝本次科技活動(dòng)是在王明秀學(xué)姐的悉心指導(dǎo)下完成的，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備、進(jìn)行， 還是論文的初改，都傾注了學(xué)姐大量心血。學(xué)姐深厚的理論素養(yǎng)，豐富的實(shí)踐知識(shí)，開拓了我的視野，使我的科研能力有了很大的提高；學(xué)姐的平易近人、求實(shí)務(wù)真、積極進(jìn)取的人生態(tài)度也深深影響著我。借此機(jī)會(huì)，向王學(xué)姐表示由衷的感謝。 參考文獻(xiàn)1 Influence of Ionic Strength, pH, an

17、d Cation Valence on Aggregation Kinetics of Titanium Dioxide Nanoparticles , Environ. Sci. Technol. 2009, 43, 1354 13592 J. MICHAEL BERG, AMELIA ROMOSER, NIVEDITA BANERJEE, REMA ZEBDA &CHRISTIE M.SAYES， The relationship between pH and zeta potential of 30 nm metal oxide nanoparticle suspensions relevant to in vitro toxicological evaluations , Nanotoxicology, December 2009; 3(4): 276 -2833劉凱、趙光磊等人，造紙白水中金屬離子對(duì)漿料Zeta電位的影響，中國(guó)造紙學(xué)報(bào)，Vol.27 , No.3,20124劉艷靜、徐慧等，納米 SiO2又Pb2+污染源水混凝過(guò)程的影響，環(huán)境工程學(xué)報(bào)，Vol.9, No.10,20155 施踏青，納米二氧化鈦材料對(duì)金屬離子吸附行為的研究及其