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全氟化合物(perfluorinated compounds,PFCs)是一类新型有机污染物,有关全氟化合物环境行为方面的研究已成为环境化学的热点。污水处理厂的传统去除工艺无法有效地去除废水中的全氟化合物,因此发展经济而有效的去除方法至关重要。碳纳米管作为一种新型的吸附剂,对有机污染物和重金属离子均表现出较强的吸附能力。与活性碳等常规吸附材料相比,碳纳米管表面更易于修饰,可根据目标化合物的性质及吸附机理对碳纳米管进行功能化,以提高目标化合物的吸附效率。重金属元素与全氟化合物往往同时存在于废水中,以往的研究工作多针对单吸附质吸附研究,对多种全氟化合物、全氟化合物与重金属同时存在时的吸附行为的报道很少。
本研究采用批平衡吸附实验法,研究了原碳纳米管、氧化型碳纳米管、及两种阳离子表面活性剂:聚乙烯亚胺(PEI)及四丁基溴化铵(TBA)修饰的碳纳米管对三种环境中存在较为普遍的全氟化合物:全氟辛酸盐(PFOA)、全氟辛烷磺酸盐(PFOS)及全氟己烷磺酸盐(PFHxS)的吸附行为,探讨了碳纳米管的性质、全氟化合物的性质及pH对吸附的影响。研究发现,除TBA修饰的碳纳米管外(TBA-MWCNTs),碳纳米管对全氟化合物的吸附等温线为非线性,吸附量随碳纳米管的等电点pH值及全氟化合物分子中CF2个数的增加而增加,随溶液pH值的增加而降低,这说明静电作用及疏水作用是全氟化合物的主要吸附机制。全氟化合物在TBA-MWCNTs的吸附以疏水分配作用为主,基本不受pH值变化的影响。PFOS在TBA-MWCNTs上的吸附等温线呈线性。PFOA与PFOS的竞争吸附实验表明,二者在碳纳米上的吸附存在竞争,PFOS对PFOA的吸附竞争作用较为明显。
另外,本文研究了铜与PFOS在碳纳米管上吸附解吸的相互影响,利用离子选择性电极、X射线同步辐射、Zeta电位等技术探讨其机理。结果显示,铜与PFOS在水溶液中形成配合物的能力较弱。铜离子能够促进PFOS在碳纳米管上的吸附,且随着铜离子浓度的升高PFOS的吸附量增大。没有铜存在的体系中PFOS在碳纳米管上的解吸无滞后现象,而在铜与PFOS共存的体系中PFOS在碳纳米管上的解吸却表现出了明显的滞后。这可能是因为铜存在时,PFOS通过铜的盐桥作用吸附在碳纳米管上。铜离子促进PFOS吸附的同时,PFOS也促进了铜离子在碳纳米管上的吸附,铜离子可能通过PFOS的键桥作用吸附在碳纳米管上。铜的吸附随pH的增加而增加,PFOS的吸附随pH的增加而降低。二者同时存在时,吸附几乎不受pH值的影响。铜的吸附增加了碳纳米管的Zeta电位,从而有利于PFOS的吸附;而PFOS的吸附降低了碳纳米管的Zeta电位,从而有利于PFOS的吸附。铜离子的共吸附行为将大大提高废水中污染的去除效率。