溶液中碳納米材料的穩(wěn)定與離散形式

1、綜述：綜述：溶液中溶液中碳納米材料的碳納米材料的穩(wěn)定與離散形式穩(wěn)定與離散形式Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review 小結(jié)與展望 簡介 CNM的合成 碳納米材料的穩(wěn)定/分散 吸附在水和廢水處理中的應(yīng)用生藥資源利用工藝技術(shù)SeparationandPurificationTechnology讀書報告碳納米材料CNM的合成碳納米材料的穩(wěn)定/分散水質(zhì)pH值離子強度溫度天然及合成分散劑天然分散劑合成分散劑超聲波酸化和紫外線照射吸附在水和廢水處理中的應(yīng)用Stabilization

2、 and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review目錄（結(jié)構(gòu)）Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review簡介碳納米材料（碳納米材料（Carbon nanomaterials, CNMsCarbon nanomaterials, CNMs）：納米碳材料是指分散相尺度至少有一維小于100nm的碳材料。分散相既可以由碳原子組成，也可以由異種原子（非碳原子）組成，甚至可以是納米孔。碳納米材料

3、類型：碳納米材料類型： 碳納米薄膜和碳納米涂層（一維100 nm），碳納米管和碳納米線（二維100 nm），CNMs（三維100 nm）。碳納米材料種類：碳納米材料種類： 碳納米管（carbon nanotubes, CNTs）, 石墨烯氧化物(graphene oxides, GOs) 富勒烯（fullerenes）碳納米材料應(yīng)用：碳納米材料應(yīng)用：光電設(shè)備、塑料、催化劑、復(fù)合材料碳納米材料優(yōu)勢：碳納米材料優(yōu)勢： 獨特的理化性質(zhì)：機械、電氣、熱、化學(xué)性質(zhì)；水中高效吸附劑：分散，不聚集成團Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials i

4、n aqueous solutions ：A review簡介影響碳納米材料在溶液中分散與穩(wěn)定的因素：影響碳納米材料在溶液中分散與穩(wěn)定的因素：在水溶液中聚集的傾向范德華力特定的疏水相互作用方法：方法：共價鍵：直接共價側(cè)鏈功能化（雜化反應(yīng)，CNMs易斷裂）、缺失功能化（酸、強氧化劑、反應(yīng)等離子體，環(huán)境污染大）；非共價鍵：包裝聚合物（范德華力相互作用、-鍵堆積作用）Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A reviewCNM的合成化學(xué)合成法化學(xué)合成法：Kroto，1980，富勒烯、C60

5、；電弧放電（電弧放電（arc dischargearc discharge）：Iijima，1991，MWNTs、SWNTs。氣體氛圍：He,乙醇,丙酮,己烷氣體氛圍中，(150500 Torr)；液氮氛圍：大規(guī)模高純度MWNTs過渡金屬催化劑：SWNTs，氫氣或氬氣氛圍中，復(fù)合陽極（石墨和金屬構(gòu)成，如Ni、Fe、Co、Pd、Ag、Pt，或Fe 、Co混合物，或Ni 與其他元素包括CoNi、FeNi、FeNo、CoCu、NiCu、NiTi）激光蒸發(fā)法（激光蒸發(fā)法（laser ablationlaser ablation）低溫氣相化學(xué)沉積法（低溫氣相化學(xué)沉積法（low temperature c

6、hemical vapor depositionlow temperature chemical vapor deposition）C60Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review碳納米材料的穩(wěn)定/分散水質(zhì)pH值離子強度溫度天然及合成分散劑天然分散劑合成分散劑超聲波酸化和紫外線照射Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review碳納米材料的穩(wěn)定/分散Sta

7、bilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review碳納米材料的穩(wěn)定/分散水質(zhì)pHpHpH值（值（pHpH降低，吸附作用、增溶能力提高）降低，吸附作用、增溶能力提高）構(gòu)象變化：構(gòu)象變化：酸性條件下NOM密度、螺旋化程度更高； 質(zhì)子化作用：質(zhì)子化作用：pH增加，SRNOM羧基、酚羥基去質(zhì)子化，導(dǎo)致SWNTs和SRNOM之間的靜電排斥作用增強，使吸附量下降； 位阻現(xiàn)象：位阻現(xiàn)象：SWNT表面的NOM表面密度越高，其與SWNT斥力越大； 表面靜電排斥：表面靜電排斥： DLVO理論（Derjag

8、uin-Landau-Verwey-Overbeek）；pH增加，帶陰電荷的量增加； 氫鍵：氫鍵：影響MWNTs表面-COOH轉(zhuǎn)化為-COO- ； 四種穩(wěn)定劑（弱聚電解質(zhì)共價修飾懸浮液中的碳納米材料）：聚（丙烯酸）、聚（甲基丙烯酸）、聚（烯丙胺）、支鏈聚（乙烯亞胺) Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review碳納米材料的穩(wěn)定/分散水質(zhì)離子強度離子強度（在一定范圍內(nèi)，隨著增加而離散；超過一定范離子強度（在一定范圍內(nèi)，隨著增加而離散；超過一定范圍后，隨著增加而聚集）：圍后，隨

9、著增加而聚集）：在氯化鈉濃度100mM，aqu / C60總電荷足以妨礙聚合(反應(yīng)限制動力學(xué))，處于離散形式；在氯化鈉濃度300mM，不增加聚合,表明靜電斥力被屏蔽，聚集的能障消除，傾向于聚集。檢測指標：檢測指標：光密度(optical density, OD)：反映CNMs顆粒大小和顆粒濃度臨界凝聚濃度（critical coagulation concentration, CCC）：懸浮MWNTs數(shù)量等于原來沒有離子時的數(shù)量50%時的離子濃度。主要機制：主要機制：DLVO理論（范德華吸引力和靜電排斥力決定了膠體的穩(wěn)定性。 ）Stabilization and dispersion of c

10、arbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review碳納米材料的穩(wěn)定/分散水質(zhì)溫度溫度（受到溫度變化的影響，溫度越低離散程度越高）溫度（受到溫度變化的影響，溫度越低離散程度越高）主要機制：主要機制：溫度升高，使SWNT獲得外部能量，,導(dǎo)致弱相互作用被破壞，布朗運動/碰撞，減少電動電勢。聚合物和水分子之間的分子間氫鍵在低溫下占優(yōu)勢，而三元共聚物鏈延長且溶于水,導(dǎo)致SWNTs溶于水；溫度升高時，分子內(nèi)氫鍵之間的C = O和N-H導(dǎo)致密集和緊縮的三元共聚物鏈的構(gòu)象，使SWNT聚集。Stabilization and dispersion of carb

11、on nanomaterials in aqueous solutions ：A review碳納米材料的穩(wěn)定/分散天然及合成分散劑天然種類：種類：NOM、SRNOM：腐殖酸、胞外聚合物（extracellular polymeric substances.EPS）、海藻酸；薩旺尼河河腐殖酸（Suwannee River humic acid ,SRHA）、電解質(zhì)(NaCl, MgCl2, and CaCl2) 。機制：機制：靜電排斥（EPS）：疏水多糖，可以與其他疏水材料相互作用，導(dǎo)致CNMs之間的排斥；官能團：磷酰基、羥基、羧基基團，增強CNMs負電荷，靜電排斥加強。-鍵：鞣酸（tanni

12、c acid，TA）溶液中：-鍵，芳香環(huán)優(yōu)先結(jié)合，形成單層薄層；氫鍵或其他極性相互作用，進一步吸附。Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review碳納米材料的穩(wěn)定/分散天然及合成分散劑天然阿拉伯膠（阿拉伯膠（gum Arabicgum Arabic,GA,GA）：）：250 kDa，阿拉伯膠也稱為阿拉伯樹膠，來源于豆科的金合歡樹屬的樹干滲出物，因此也稱金合歡膠。阿拉伯膠主要成分為高分子多糖類及其鈣、鎂和鉀鹽。主要包括有樹膠醛糖、半乳糖、葡萄糖醛酸等。優(yōu)點：破壞包裝，導(dǎo)致SWN

13、Ts分散，由于對比檢測懸浮在液體中的材料性能及理論估計；吸附到SWNTs 的GA分子，可以促進單個SWNTs和聚合物基體之間的結(jié)合，形成緊密的結(jié)合相互作用。牛血清白蛋白（牛血清白蛋白（bovine serum albuminbovine serum albumin，B BSASA）：）：牛血清白蛋白（BSA），是牛血清中的一種球蛋白，包含607個氨基酸殘基，分子量為66.446kDa，等電點為4.7。電荷和構(gòu)象屬性，較大的蛋白質(zhì)構(gòu)象導(dǎo)致脫落更快速， SWNT恢復(fù)率更高；熵參與脫落-穩(wěn)定過程：BSA-to-SWNT過高比例導(dǎo)致脫落速度慢、恢復(fù)率低。Stabilization and disper

14、sion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review碳納米材料的穩(wěn)定/分散天然及合成分散劑合成表面活性劑（增強穩(wěn)定性）表面活性劑（增強穩(wěn)定性）常見表面活性劑：常見表面活性劑：Triton X系列（Triton X-100）機制：機制：疏水作用、-鍵影響因素：影響因素：溶液中膠束離子的濃度SWNTSWNT最優(yōu)條件：最優(yōu)條件：1.6% 脫氧膽酸鈉（sodium deoxycholate, SD）；0.5%十二烷基苯磺酸鈉（sodium dodecylbenzene sulfonate, SDBS）；3% Triton X-405；2

15、% Brij S-100；5% Pluronic F-127；3% PVP-55。機制：機制：頭部親水基團的之間的靜電排斥；陽離子和陰離子表面活性劑，反荷離子靜電力基本平衡。Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review碳納米材料的穩(wěn)定/分散天然及合成分散劑合成溶劑：溶劑：甲苯，二甲苯，苯，萘，氯仿，乙醇，丙酮，乙腈，N-甲基吡咯烷酮等機制：機制：靜電排斥、空間位阻，破壞偶聯(lián)物共價鍵分子動力學(xué)模擬水中C60與之間的水誘導(dǎo)排斥力表明能量占主導(dǎo)地位；兩個富勒烯同時于水溶液中，水分

16、子從富勒烯四周排出，導(dǎo)致C60水相互作用能量損失；表明能量損失的大小被降低與C60水相互作用有關(guān)。其他：其他：咪唑溴化丙烯酸酯微膠乳共聚物(2530 nm) 聚（乙烯乙二醇-二丙烯硫化物）十六烷基三甲基銨硝酸鹽四氫呋喃（tetrahydrofuran ，THF）和氮氣（靜電斥力、形成絡(luò)合物、電荷轉(zhuǎn)移）正戊烷、乙醚,1,3-二溴丙烷（形成絡(luò)合物）7,7,8,8-四氰基對二次甲基苯醌（7,7, 8,8-tetracyanoquinodimethane , TCNQ）Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous sol

17、utions ：A review碳納米材料的穩(wěn)定/分散超聲波超聲波（增大超聲波（增大CNMsCNMs吸附能力，懸浮穩(wěn)定性）吸附能力，懸浮穩(wěn)定性）機制：機制：空泡效應(yīng)：高溫導(dǎo)致壓力差，使納米表面剪切力增大，使其斷裂破碎。進而使螺旋表面形成復(fù)雜的活性中間體?；钚灾虚g體基團克服SWNT間的范德華力，促進懸浮。空泡大小，影響穩(wěn)定性：低頻率超聲波導(dǎo)致大空腔。影響分散情況，縮短聚集體：通過光散射觀察流體力學(xué)半徑；中介效應(yīng)：小顆粒懸浮狀態(tài)更穩(wěn)定Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review

18、碳納米材料的穩(wěn)定/分散酸化和紫外線照射酸化酸化/ /氧化：氧化：聚集動力學(xué)、形態(tài)學(xué)特征、吸附能力含氧基團增加CNMs懸浮溶液穩(wěn)定性增加質(zhì)子氧功能基團能夠抵制電解質(zhì)誘導(dǎo)的聚集紫外照射：紫外照射：表面侵蝕/溶解再結(jié)晶過程：陽光催化初生晶體分子表面NOM與C60的相互作用；相互作用的結(jié)果：第二晶體的表面電荷密度大于初生晶體；C60光蝕：光誘導(dǎo)C60氧化，氧氣改變表面水溶性中間體。表2總結(jié)了部分CNMs在水中的穩(wěn)定和分散情況和他們流體動力學(xué)信息Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A rev

19、iew碳納米材料的穩(wěn)定/分散酸化和紫外線照射Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review碳納米材料的穩(wěn)定/分散酸化和紫外線照射Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review吸附在水和廢水處理中的應(yīng)用吸附能力高：吸附能力高：重金屬、甲基橙、人造紅色色素、酚類、藥品和其他有機化學(xué)物質(zhì)。污水處理：內(nèi)分泌干擾物質(zhì)（endocrine-disrupting comp

20、ounds, EDCs）、藥品、個人護理用品（personal care products, PPCPs）對比傳統(tǒng)處理過程（絮凝、沉淀、過濾、消毒；活性污泥、生物過濾對比傳統(tǒng)處理過程（絮凝、沉淀、過濾、消毒；活性污泥、生物過濾, ,和土壤含和土壤含水層處理）：水層處理）：只能去除很少的EDCs、PPCPs受到污染物的理化性質(zhì)（pKa、疏水性）、污水處理工藝的類型（廢水出水后稀釋、降雨、溫度）等多種因素影響。影響因素：影響因素：CNTs：吸附位點、表面積、純度、表面功能基團（- OH、-C=O、 -COOH）水體：pH值、背景離子和溫度（影響EDCs和PPCPs穩(wěn)定性）表面活性劑Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review吸附在水和廢水處理中的應(yīng)用Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review吸附在水和廢水處理中的應(yīng)用Stabilizati