中文摘要：

在饮用水和污水处理系统中，纳米颗粒的检出引起了关注。纳米颗粒对水体生态系统和水质安全造成潜在风险。纳米颗粒在水中的实际尺寸对其环境效应及其在水处理过程中的去除具有重要影响。水中纳米颗粒的凝聚过程，决定着其尺寸、迁移规律与归趋。但目前对纳米颗粒在水中的凝聚过程尚不清楚，缺乏对其在水中凝聚动力学的系统研究。我们在前期实验中发现水体是一个复杂系统，其中主要存在天然有机物对纳米颗粒凝聚的抑制作用和电解质对纳米颗粒凝聚的促进作用，导致纳米颗粒凝聚过程的复杂性和不确定性。本申请拟针对广泛使用的二氧化钛和氧化锌纳米颗粒，采用原子力显微镜和动态光散射等分析手段，研究天然有机物和电解质共同作用对纳米颗粒凝聚的影响，建立典型地表水和污水中金属氧化物纳米颗粒的凝聚动力学模型，揭示纳米颗粒在天然水体和水处理过程中的迁移与归趋规律，为评估纳米颗粒的环境风险及其在水处理系统中的去除奠定基础。

结论摘要：

本项目的主要研究内容包括1）离子强度、pH值和天然有机物等因素对金属氧化物纳米颗粒凝聚与沉降的影响；2）不同混凝剂对纳米颗粒去除的效果及其机理；3）初步分析了水中金属氧化物纳米颗粒与粘土颗粒之间多相凝聚的规律。利用动态光散射技术（DLS），持续监测了水中二氧化钛纳米颗粒粒径的变化过程，结合Zeta电位分析、原子力显微镜（AFM）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）等手段，采用DLVO理论，分析了水中pH值、天然有机物和离子强度等因素对纳米颗粒凝聚过程的影响。结果表明，在无离子强度下，当pH=8时，二氧化钛纳米颗粒表面带负电，腐殖酸的加入使二氧化钛表面负电荷增加，同时增加了电性斥力及空间位阻，使颗粒变得更加稳定；pH=4时，二氧化钛表面带正电，少量腐殖酸的加入中和二氧化钛纳米颗粒的表面电荷，减小电性斥力，使颗粒脱稳；而当腐殖酸达到一定量时，会反转二氧化钛纳米颗粒的表面电性，使颗粒再次变得稳定。在低离子强度下，由于空间位阻作用，腐殖酸的存在显著增加了二氧化钛纳米颗粒的稳定性，比富里酸效果更为显著。在高离子强度下，腐殖酸的存在会产生吸附架桥作用，使二氧化钛纳米颗粒的凝聚速率加快。在电性中和与离子强度的作用下，粘土颗粒会与二氧化钛纳米颗粒形成多相凝聚，从而增大颗粒的凝聚速率，使纳米颗粒脱稳。探索了常用混凝剂聚合硫酸铁、聚合氯化铝、硫酸铝和氯化铁对二氧化钛纳米颗粒去除的影响。发现在相同投加量下(以铝和铁的有效含量计)，聚合硫酸铁的效果优于聚合氯化铝、硫酸铝和氯化铁。氯化钠和氯化钙在一定浓度范围内(0.03～0.1 mol/L)对二氧化钛纳米颗粒的凝聚过程具有促进作用，但浓度过高或过低都不利于形成矾花。硫酸根对二氧化钛纳米颗粒的混凝起到阻碍作用。碱度是保证混凝效果的重要因素，但碱度不宜过大。当混凝剂为氯化铁时，碱度为0.01mol/L NaHCO3时，有最佳的混凝效果；当混凝剂为PFS时，碱度为0.001 mol/L NaHCO3时，有最佳混凝效果。二氧化钛纳米颗粒的ζ电位和混凝剂的水解形态同样会受pH的影响。腐殖酸浓度增大会抑制聚合硫酸铁对二氧化钛纳米颗粒混凝去除的效果，可能的机理包括当腐殖酸过量时，腐殖酸与Fe(Ⅲ)形成了COO-Fe(Ⅲ)复合体，对混凝起到了抑制作用，或是腐殖酸对TiO2纳米颗粒起到了空间位阻的作用，使纳米颗粒稳定。