重金属离子对纳米二氧化钛的粒径及表面电位影响

1、重金属离子对纳米二氧化钛的粒径及表面电位影响摘要： 随着纳米科技的迅速发展，纳米材料广泛应用于工业、农业、食品、日用品、医药等领域。在纳米材料广泛应用的同时，其不可避免地会被释放到环境中(包括空气、水体和土壤)，对生态系统产生不利影响。本文研究了重金属离子对纳米二氧化钛的物性影响，主要分析溶液pH=3 时其作用产物的粒径与Zeta电位。关键词：重金属，纳米二氧化钛，粒径，Zeta 电位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：在纳米材料的广泛应用的同时，不可避免地被释放到环境中，其对环境潜在的负面影响不容忽视。国际著名学术刊物Nature和Scien

4、ce多次发表文章，讨论纳米技术与纳米材料对人体健康、生存环境等方面潜在的负面影响( Service, 2003； Brumfiel,2003 ； Colvin, 2003； Zhaoet al., 2006) 1。纳米材料的安全性问题，日益受到世界各国政府的关注，相继投入大量资金开展纳米材料对健康和环境安全性评价的研究。目前相关的工作主要是通过鼠科动物实验、细胞培养来研究纳米材料的毒性(Fioritoet al., 2006 ； Cui et al., 2005； Jia et al., 2005；Zhang et al., 2003； Chen et al., 2006) ，但纳米材料进入环

5、境后的行为，却鲜有报道6。纳米材料在环境(包括大气、水体和土壤)中的迁移、转化、归趋等复杂行为，以及对生态系统潜在的毒性效应，是全面评价纳米材料安全性的重要组成部分。本研究即是研究重金属的存在对纳米二氧化钛物理性质，为其在环境中的影响提供理论依据。2. 实验2.1 实验药品纳米二氧化钛溶液、NaCl、NaOH、HCl、Cu(NO 3)2 3H2O、QCrzO?、Pb(NO3)2、Zn(NO 3)2 6H2O以上均为分析纯试剂，以及去离子水。2.2 实验方法2.2.1 配置实验试剂用250mL容量瓶分别配置 5mg/mL的Cr2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+溶液。称取 5.85gNaCl 分析

6、纯晶体配置0.001mol/mL 的 NaCl 溶液。配置0.1mg/mL的TiO2溶液。分别取 0.5mL 含 Cr2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+溶液(均为 5mg/mL)、0.05mLNaCl 溶液( 0.001mol/mL ) ，配置成50mL 混合溶液，将pH 分别调至3/4/5/6/7/8/9/10。分别取 0.5mL 含 Cr2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+溶液(均为 5mg/mL)、0.05mLNaCl 溶液( 0.001mol/mL ) ，配置成50mL 混合溶液，调节pH 至3。2.2.2 检测分析在用 ZetaSize 分析仪送样检测前，取1.5mL 配置好的纳米二氧

7、化钛试剂于配好的试剂中，混合均匀后立即装至样品池中进行检测其粒子粒径与Zeta 电位 2。3. 结果与结论3.1 实验结果处理3.1.1不同pH下各重金属离子对纳米二氧化钛的影响 （1）不同pH下，Cr2+对纳米二氧化钛的物性影响PH3.134.135.156.237.048.078.949.93粒径（nm）1186138.4123.8128.4127.8123.4122.1127.0PH3.154.024.945.976.918.108.979.95粒径（nm）557.9130.4129.5132.6131.7134.7133.3134.4PH3.274.285.026.117.128.21

8、9.069.96粒径（nm404.2124.1130.6133.1138.1133.3130.5130.44（4）不同pH下，Cu2+对纳米二氧化钛的物性影响PH3.163.965.135.957.127.939.0610.09粒径（nm1041153.9122.9124.0125.5128.4127.4130.83.1.2在不同结合时间下各重金属离子对纳米二氧化钛的影响 (1)溶液pH=3时Cr2+对纳米二氧化钛的物性影响C产0min 3min 6min 9min 12min 15min 18min 21min 24min 27min粒径(nm216.6 230.2 253.2 276.8

9、318.5406.8410.9551.5694.8819.9Zeta 电位 (mv)-16.6-17.6 -18.4 -19.4-18.6-18.6-19.9-19.0-18.3-18.7_ 2+Pb0min3min6min9min12min15min18min21min24min27min粒径(nm)228.8257.1323.9452.2618.4787.9951.7112011541388Zeta 电位 (mv)-16.2-18.1-18.0-16.7-16.4-16.7-17.2-15.5-15.9-16.2PHT时PH&对纳米一氧化钛的粒径彩响PHT时Pb计时纳米二氧化钛的在

10、出电位影响-m 1W0单假I出 14.0(3)溶液pH=3时Zn2+对纳米二氧化钛的物性影响2+Zn0min 3min 6min 9min 12min15min18min21min24min27min粒径(nm)229.6 248.7 304.6 338.3 399.2562.4551.6666.2760.6847.5Cu"在不同pH下对纳米Ti%的影响(2)溶液pH=3时Pb2+对纳米二氧化钛的物性影响Zeta 电 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时Cu2+对纳米二氧化钛的物性影响

11、Cu2+0min3min6min9min12min15min18min21min24min27min粒径245.2318.6410.4464.2643.3730.3913.2998.011171363(nm)Zeta电位-15.4-16.4-16.7-17.5-16.4-16.1-16.6-16.7-15.2-14.7PH石时Cu对纳米二氧化钛的粒径影响单佐Mil1600(mv)3.2 实验结果分析之所以纳米二氧化钛可以长期保持分散悬浮状态的特性，正是因为存在“胶体稳定性”。胶体稳定性包括“动力学稳定”和“聚集稳定”两种。动力学稳定性系指颗粒布朗运动对抗重力影响的能力。胶体粒子很小，布朗运动剧

12、烈， 本身质量小而所受重力作用小，布朗运动足以抵抗重力影响，故而能长期悬浮于水中。 粒子愈小，动力学稳定性愈高 网。聚集稳定性系指胶体粒子之间不能相互聚集的特性。胶体粒子很小，比表面积大从而表面能很大，在布朗运动作用下，有自发地相互聚集的倾向，但由于粒子表面同性电荷或斥力 作用或水化膜的阻碍使这种自发聚集不能发生。不言而喻，如果胶体粒子表面电荷或水化膜消除，便失去聚集稳定性，小颗粒便可相互聚集成大的颗粒，从而动力学稳定性也随之破坏，沉淀就会发生，小颗粒便可相互聚集成大的颗粒，从而动力学稳定性也随之破坏，沉淀就会发生。因此，胶体稳定性，关键在于聚集稳定性7。在本实验，二氧化钛与金属之间的作用主要

13、是金属离子的电性中和，其作用是压缩胶体双电层一一为保持胶体电性中和所要求的扩散层厚度，从而使胶体滑动面上的E点为降低。七=0寸称等电状态，此时排斥势能消失。实际上，只要将 士电位降至一定程度(如七=kl使排斥能峰Emax=0,胶体便发生聚集作用网。3.2.1 溶液pH对纳米二氧化钛的物性影响由于各种金属离子在不同 pH值溶液中会发生不同程度的电离作用，从而影响纳米二氧化钛表面的双电层特性，继而影响其颗粒絮凝程度3 。因此，我们首先研究了不同金属离子在不同 pH 值时对纳米二氧化钛的影响，通过实验2.1.1 图表发现其变化趋势相同，即仅在pH=3时影响最大，在其他 pH值时影响甚彳故将 pH=3

14、时的情况又单独进行试验。查得这四种金属离子在溶液pH>4 时均会发生不同程度的水解，从而对纳米二氧化钛的影响不大。而当溶液pH 控制在 3 左右时，溶液中金属离子主要以离子形式存在，进而纳米二氧化钛与其发生作用，产生絮凝5 。3.2.2 结合时间对纳米二氧化钛的物性影响对实验 2.1.2 进行数据处理以及分析，不难发现，初始纳米二氧化钛粒径几乎一致，随着时间变化，其粒径均在持续上升，其中Cu2+与Pb2+对其影响更大，但是Zeta电位并没有明显的上升，但是可以看出其有上升趋势。可以推测，金属离子可以促进纳米二氧化钛的絮凝。查金属活动性顺序，Zn、Cr、Pb、Cu的电势能(f)A/V分别为

15、：-0.762、-0.744、-0.126、+0.342，可知，Cu 与 Pb 的金属活动性不强，其对应水溶液离子则表现为氧化性，在pH=3条件下促进溶液水解电离，从而影响纳米二氧化钛表面双电子层特性，继而促进了其絮凝4 。4. 结论与展望通过测定不同金属离子在不同pH 及不同时间下对纳米二氧化钛的粒径以及Zeta 电位E,研究结果表明，不同金属离子在pH=3溶液条件下，可以迅速使纳米二氧化钛溶液产生絮凝，其中 Cu2+与Pb2+对其影响更大，主要表现在其絮凝速率更快。所以可以认为，金属 离子在一定程度上影响了纳米二氧化钛的物理性质，主要表现在压缩胶体双电层，进而促进其产生絮凝，降低了纳米材料

16、的比表面积，从而导致吸附能力下降。可以推论，当纳米颗粒 进入环境可能会与金属离子发生作用，其所在的水环境的酸碱度、流入时间均会影响其自身的物理性质，进而可能影响其对环境的毒理性。具体对环境有何影响，还需要更加深入的研究。5. 致谢本次科技活动是在王明秀学姐的悉心指导下完成的，无论是实验的准备、进行， 还是论文的初改，都倾注了学姐大量心血。学姐深厚的理论素养，丰富的实践知识，开拓了我的视野，使我的科研能力有了很大的提高；学姐的平易近人、求实务真、积极进取的人生态度也深深影响着我。借此机会，向王学姐表示由衷的感谢。 参考文献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刘凯、赵光磊等人，造纸白水中金属离子对浆料Zeta电位的影响，中国造纸学报，Vol.27 , No.3,20124刘艳静、徐慧等，纳米 SiO2又Pb2+污染源水混凝过程的影响，环境工程学报，Vol.9, No.10,20155 施踏青，纳米二氧化钛材料对金属离子吸附行为的研究及其