纳米银在不同类型土壤及铁氧化物上的吸附机制研究

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纳米银颗粒(silver nanoparticles,AgNPs)因具有十分优良的抗菌性能,已被作为杀菌剂广泛应用于人们生产生活的诸多领域,但这势必导致AgNPs进入土壤,并将产生潜在的环境和人体健康风险。AgNPs对陆生生物具有毒性效应,但会受到其在土壤中移动性等的影响。本研究以AgNPs为研究对象,考察AgNPs在实际土壤中的吸附行为及其影响因素,并重点探讨AgNPs在土壤中最主要的铁氧化物(针铁矿和赤铁矿)上的吸附机制,具体研究结果包括:  (1)AgNPs在土壤中的吸附行为影响着它们在地表环境中的归趋、迁移和转化。本研究选取我国10种典型土壤,对比研究AgNPs与Ag+在土壤上的吸附行为。Langmuir模型可以很好地拟合AgNPs和Ag+在10种土壤上的吸附等温线。对于同一土壤而言,Ag+在土壤上的吸附量大于AgNPs。相关性分析结果进一步表明Ag+在土壤上的吸附主要受土壤有机质含量影响,而铁氧化物含量则是影响AgNPs在土壤中吸附的主要因素。这些发现将有助于深入理解AgNPs在土壤中吸附与迁移的机制。  (2)当AgNPs被释放到沉积物或土壤环境中时,AgNPs会发生同质团聚,也会与环境中普遍存在的天然胶体发生异质团聚。通过土壤中AgNPs的吸附研究,也发现了铁氧化物是影响AgNPs在土壤中吸附的关键因素。本研究将动态光散射实验手段与Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek(DLVO)理论计算相结合,考察不同pH和离子强度(ionic strength,IS)条件下AgNPs和铁氧化物胶体(针铁矿和赤铁矿)的团聚动力学行为。研究发现,AgNPs、针铁矿和赤铁矿的同质团聚行为受pH和IS影响较显著,AgNPs粒径随pH的增大而减小,随IS的增大而增大。与同质团聚相比,AgNPs与铁氧化物的异质团聚过程受IS、pH和反应时间等因素的影响较小;当AgNPs与铁氧化物混合时,两者会迅速发生异质团聚。较AgNPs或铁氧化物的同质团聚而言,两者的异质团聚占主导地位。  (3)环境条件显著影响AgNPs在针铁矿和赤铁矿上的吸附行为。AgNPs在铁氧化物上的最大表面覆盖度为0.014~0.326mg m-2,且随pH的增大而减小,随IS的增大而增大。X射线吸收光谱、衰减全反射傅里叶变换红外光谱和X射线衍射结果表明,AgNPs和铁氧化物之间的作用以静电吸引力占主导。同时,铁氧化物的存在可以抑制AgNPs的溶解。由于表面电荷差异,针铁矿在吸附AgNPs和抑制AgNPs溶解方面比赤铁矿更有效。该研究结果对于更好地评估AgNPs在富铁氧化物的地表环境中的潜在环境影响和风险具有重要意义。
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