成果介绍

国家自然科学基金天然水体中胶体物质对碳纳米管吸附类固醇激素的影响机制研究51379009

1)研究背景

近年来,有关纳米材料对污染物迁移转化的影响及其潜在生态危害的研究已成为国际上环境科学的前沿和热点课题之一。国内外有关碳纳米管吸附痕量污染物的研究很多,这些研究深入分析了不同类型碳纳米管吸附污染物的机理,以及溶液化学组成对碳纳米管吸附污染物的影响。但是,已有研究多采用市售或实验室提取的腐殖质、蛋白胨、氨基酸和背景离子等人工配水模拟天然水体中的溶解性有机质,很少有研究采用天然水样或从实际水体中分离天然胶体探讨其对碳纳米管吸附污染物的影响。

天然水体中,胶体物质是普遍存在的。这些胶体物质不但会吸附水体中的污染物,还会与释放到水体中的人工纳米材料相互作用,从而改变其聚集、沉降性能,并进一步影响人工纳米材料与污染物的相互作用(图1)。

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纳米材料在天然水体中的环境行为

2)研究内容

本项目则以天然水体中胶体物质和碳纳米管为研究对象,以典型的类固醇激素为目标污染物,研究天然水体中不同来源和不同粒径胶体对碳纳米管吸附类固醇的影响,探讨天然胶体-碳纳米管-类固醇的相互作用机理,剖析胶体不同组分对碳纳米管吸附类固醇的影响,阐述天然水体中胶体物质对碳纳米管吸附类固醇的影响机理。

3)研究结果

采集了珠江、长江、湘江、淮河、黄河和海河六条河流的水样,利用错流过滤的方法分离水样中的天然胶体,探讨了不同来源天然胶体物质对碳纳米管吸附类固醇的影响。结果表明,胶体与碳纳米材料的相互作用、及其自身对类固醇的吸附决定了其对碳纳米管吸附类固醇的影响效果(图2)。

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不同来源胶体对碳纳米管吸附类固醇的影响示意图

天然泥沙颗粒抑制碳纳米材料对类固醇有机物的吸附,且随泥沙粒径的增加,抑制作用减弱。去除有机质后,泥沙表面的负电荷减少,其与碳纳米材料的相互作用增强,因此增加了其对碳纳米材料吸附类固醇的抑制作用(图3)。

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不同粒径泥沙对碳纳米材料吸附污染物的影响

进一步的机理分析表明,胶体对碳纳米材料吸附类固醇的影响与其表面电荷、粒径大小、胶体对有机物的吸附特性、胶体的膨胀特性、以及碳纳米材料的构型和性质有关(图4)。

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天然矿物对GOrGO吸附E2BPA的影响

利用LSER模型研究了三种不同含碳吸附剂(单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和活性炭)对芳香族有机物的吸附,比较了不同吸附剂吸附特性间的差异,探讨了吸附质平衡浓度对模型参数的影响,解释了不同吸附机理对吸附的相对重要性。探讨了不同pH值条件下CNTs对磺胺类药物(SAs)的吸附规律及其与SAs性质的构效关系,阐释了pH值影响吸附的主要机理(图5)。

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碳纳米材料吸附有机物的构效关系模型

利用密度泛函理论(DFT)计算,从微观分子层面,剖析了碳纳米管表面含氧官能团的种类及位置对其吸附有机污染物的影响,阐释了有机物分子构型及官能团种类对其与碳纳米管相互作用的影响(图6)。

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有机物在CNTs吸附的稳定结构示意图

上述成果发表SCI期刊收录文章14篇,其中影响因子大于6.0的文章10篇。迄今为止(2017年12月),项目成果发表的14篇文章被引用近200次(Google scholar数据),单篇被引最高39次。其中,一篇SCI收录论文(Sun et al., Chemical Engineering Journal, 2014, 250, 119-127)2015年被ESI评为高被引论文(引用次数归入其学术领域最优秀的1%之列,Essential Science Indicators数据)。

该研究成果对全面认识和正确评价实际自然水体中碳纳米材料-污染物的相互作用规律及最终归宿具有重要的意义,并为碳纳米材料应用的潜在生态危害和环境风险评价提供理论依据。

 成果清单:

(1)Sun WL*, Li ML, Zhang W, Wei JM, Chen B, Wang CH, Sediments inhibit adsorption of 17β-estradiol and 17α-ethinylestradiol to carbon nanotubes and graphene oxide, Environmental Science: Nano, 2017, 4, 1900-1910.

(2)Sun WL*, Wang CH, Pan WY, Li S, Chen B, Effect of natural minerals on 17β-estradiol and bisphenol A adsorption by graphene oxide and reduced graphene oxide, Environmental Science: Nano, 2017, 4, 1377-1388.

(3)Shi WZ#, Li S#, Chen B, Wang CH, Sun WL*, Effects of Fe2O3 and ZnO nanoparticles on 17β-estradiol adsorption by carbon nanotubes, Chemical Engineering Journal, 2017, 326, 1134-1144.

(4)Chen B, Sun WL*, Wang CH, Guo XY*, Size-dependent impact of inorganic nanoparticles on sulfamethoxazole adsorption by carbon nanotubes, Chemical Engineering Journal, 2017, 316, 160-170.

(5) Wei JM, Sun WL*, Pan WY, Yu XQ, Sun G, Jiang H*, Comparing the effects of different oxygen-containing functional groups on sulfonamides adsorption by carbon nanotubes: experiments and theoretical calculation, Chemical Engineering Journal, 2017, 312, 167-179.

(6)Sun WL*, Zhang CS, Shi WZ, Wang CH, Jiao XL, Heteroadsorption of 17-ethynylestradiol by multi-walled carbon nanotubes and SiO2/Al2O3 nanoparticles: Effect of surface-coated fulvic acid and alginate, Chemical Engineering Journal, 2016, 288, 516-524.

(7)Yu XQ, Sun WL*, Ni JR, LSER model for organic compounds adsorption by single-walled carbon nanotubes: Comparison with multi-walled carbon nanotubes and activated carbon, Environmental Pollution, 2015, 206, 652-660.

(8)Sun WL*, Zhang CS, Xu N*, Ni JR, Effect of inorganic nanoparticles on 17β-estradiol and 17α-ethynylestradiol adsorption by multi-walled carbon nanotubes, Environmental Pollution, 2015, 205, 111-120.

(9)Yu XQ, Zhang LP, Liang M, Sun WL*, pH-dependent sulfonamides adsorption by carbon nanotubes with different surface oxygen contents, Chemical Engineering Journal, 2015, 279, 363-371.

(10)Wang F, Sun WL*, Pan WY, Xu N*, Adsorption of sulfamethoxazole and 17β-estradiol by carbon nanotubes/CoFe2O4 composites, Chemical Engineering Journal, 2015, 274, 17-29.

(11)Sun WL, Jiang BF, Wang F, Xu N*, Effect of carbon nanotubes on Cd(II) adsorption by sediments, Chemical Engineering Journal, 2015, 264, 645-653

(12)Sun WL*, Zhou K, Adsorption of three selected endocrine disrupting chemicals by aquatic colloids and sediments in single and binary systems, Journal of Soils and Sediments, 2015, 15, 456-466.

(13)Sun WL*, Zhou K, Adsorption of 17β-estradiol by multi-walled carbon nanotubes in natural waters with or without aquatic colloids, Chemical Engineering Journal, 2014, 258, 185-193.

(14)Sun WL*, Xia J, Shan YC, Comparison kinetics studies of Cu(II) adsorption by multi-walled carbon nanotubes in homo and heterogeneous systems: Effect of nano-SiO2, Chemical Engineering Journal, 2014, 250, 119-127.