磷素对几种纳米氧化物胶体化学稳定性和转化的影响

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难溶性纳米氧化钛(TiO2)和氧化铈(CeO2)以及溶解性纳米氧化锌(ZnO)在工业生产和日常生活中广泛应用,这使其可通过直接或者间接地方式源源不断进入环境,并对环境和生态系统带来潜在的危害。由于这些纳米氧化物具有较高的表面能和位点密度,环境中普遍存在的有机酸、腐殖质和磷素等配体离子在其表面吸附,形成强的配位共价键。这将影响难溶性纳米氧化物的表面特性和胶体化学稳定性,诱导和促进溶解性纳米氧化物发生溶解转化,从而改变纳米氧化物在环境中的迁移和毒理性质。以往的研究较少关注磷,尤其是有机磷对纳米氧化物环境行为的影响。此外,聚集和沉积是决定TiO2/CeO2等难溶性纳米颗粒在环境中迁移的两个重要过程,溶解转化则在较大程度上影响ZnO等易溶性纳米颗粒环境的归趋和解毒机制。因此,本文用批量实验、Zeta电位测量、动态光散射(DLS)技术、Derjaguin–Landau–Verwey–Overbeek(DLVO)理论、原位衰减全反射傅里叶转换红外光谱(In situ ATR-FTIR),高分辨率透射电镜(HRTEM),固态/液态31P核磁共振光谱(NMR)和X射线吸收光谱(XAS)研究了:1)植酸/正磷酸盐(IHP/Pi)在TiO2和CeO2难溶性纳米氧化物表面的配位特点,及对其胶体化学稳定性影响与作用机制;2)IHP诱导和促进ZnO纳米颗粒溶解、及其沉淀转化的反应过程与机理。取得了以下主要结果:通过X射线衍射(XRD)、比表面积(BET)和透射电子显微镜(TEM)等对TiO2、CeO2和ZnO纳米氧化物晶体学特征进行了表征。三种纳米材料均为纯相,TiO2和CeO2呈规则球状,ZnO呈菱形。其中TiO2颗粒大小约为15 nm,比表面为83.4±3 m2 g–1;CeO2颗粒大小约为20 nm,比表面为82±3 m2 g–1;ZnO颗粒大小为30nm,比表面为37.9±3 m2 g–1。IHP/Pi在TiO2或CeO2纳米颗粒表面吸附等温线均可用Langmuir方程拟合。随pH增加,IHP/Pi在TiO2或CeO2表面的吸附密度逐渐降低。ATR-FTIR分析表明,IHP和Pi均通过羟基交换在TiO2或CeO2表面形成表面内圈络合物。低pH值时,TiO2表面吸附Pi主要有两种形态:单质子化双齿表面络合物(≡Ti2–HPO4)和去质子化双齿络合物(≡Ti2PO4–)。高pH值时,吸附态Pi则以上述后两种形态为主。31P NMR结果显示,TiO2表面吸附态IHP/Pi的去质子化程度随pH升高明显增加。此外,CeO2表面吸附Pi主要有三种形态,包括:质子化双齿络合物或通过氢原子结合在相邻位点稳定后的单齿络合物、单质子化桥键双齿表面络合物。IHP和Pi通过形成表面内圈络合物吸附在TiO2或CeO2表面。IHP分子具有6个磷酸基团,分别通过其中3个和4个磷酸基团与TiO2和CeO2表面配位形成化学键,其它磷酸基团处于游离的离子化状态。Zeta电位分析、纳米颗粒沉降、DLS测定和DLVO计算等结果显示,TiO2/CeO2纳米颗粒胶体化学稳定性与表面磷素的吸附及pH密切相关。一般,pH值越接近PZC(pHPZC)越容易发生聚集,反之亦然。纳米TiO2/CeO2对IHP和Pi亲和力强,IHP/Pi吸附形成表面离子化的HPO4–和PO42–显著改变了纳米颗粒的表面电荷特性,从而影响了其聚集和分散等行为。IHP具有更高的负电荷和更大的分子量,对TiO2/CeO2胶体化学稳定性的影响也明显高于Pi。IHP/Pi和纳米ZnO反应体系中,IHP诱导ZnO溶解转化速率(<0.5 h)显著高于Pi(>3.0 h)的作用,且转化速率随pH下降、IHP浓度升高而加快。IHP/Pi与ZnO反应终产物分别为稳定的弱晶质植酸锌(Zn-IHP)和晶质磷酸锌(Zn3(PO4)2·4H2O),降低了ZnO的生态毒性和环境风险,且IHP诱导ZnO转化释放大量羟基。IHP-P和Pi-P以摩尔比1:1共存时,IHP抑制Pi与ZnO的反应,Pi则促进了IHP和ZnO反应,转化生成Zn-IHP。可见,IHP与纳米ZnO溶解转化明显比Pi的作用更强。结合XRD,ATR-FTIR,HRTEM,液相31P NMR和X光吸收精细结构光谱(EXAFS)等探明了IHP诱导ZnO纳米颗粒溶解转化的机制。ZnO纳米颗粒表面本身快速溶解释放Zn2+进入溶液,液相IHP与溶解的Zn2+络合形成溶解性Zn1-IHP络合物,进一步促进ZnO纳米颗粒的溶解,释放的Zn2+不断补充溶液中被络合的Zn2+,Zn-IHP络合物分子量逐渐增加形成稳定的难溶性Zn-IHP沉淀。上述结果表明,IHP/Pi与TiO2/CeO2/ZnO等纳米氧化物的相互作用影响和决定了其胶体化学稳定性和转化特性,这为更好地理解和预测纳米氧化物在富磷环境中的动态过程、环境归趋和生态风险提供了科学依据。
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