溶液中碳納米材料的穩(wěn)定與離散形式

綜述：溶液中碳納米材料的穩(wěn)定與離散形式Stabilizationanddispersionofcarbonnanomaterialsinaqueoussolutions：Areview小結(jié)與展望簡介CNM的合成碳納米材料的穩(wěn)定/分散吸附在水和廢水處理中的應(yīng)用①⑤④③②生藥資源利用工藝技術(shù)Separation

and

PurificationTechnology讀書報告Stabilizationanddispersionofcarbonnanomaterialsinaqueoussolutions：Areview目錄（結(jié)構(gòu)）Stabilizationanddispersionofcarbonnanomaterialsinaqueoussolutions：Areview簡介碳納米材料（Carbonnanomaterials,CNMs）：納米碳材料是指分散相尺度至少有一維小于100nm的碳材料。分散相既可以由碳原子組成，也可以由異種原子（非碳原子）組成，甚至可以是納米孔。碳納米材料類型：

碳納米薄膜和碳納米涂層（一維＜100nm），碳納米管和碳納米線（二維＜100nm），CNMs（三維＜100nm）。碳納米材料種類：

碳納米管（carbonnanotubes,CNTs）,石墨烯氧化物(grapheneoxides,GOs)富勒烯（fullerenes）碳納米材料應(yīng)用：光電設(shè)備、塑料、催化劑、復(fù)合材料碳納米材料優(yōu)勢：

獨特的理化性質(zhì)：機(jī)械、電氣、熱、化學(xué)性質(zhì)；水中高效吸附劑：分散，不聚集成團(tuán)Stabilizationanddispersionofcarbonnanomaterialsinaqueoussolutions：Areview簡介影響碳納米材料在溶液中分散與穩(wěn)定的因素：在水溶液中聚集的傾向范德華力特定的疏水相互作用方法：共價鍵：直接共價側(cè)鏈功能化（雜化反應(yīng)，CNMs易斷裂）、缺失功能化（酸、強(qiáng)氧化劑、反應(yīng)等離子體，環(huán)境污染大）；非共價鍵：包裝聚合物（范德華力相互作用、π-π鍵堆積作用）Stabilizationanddispersionofcarbonnanomaterialsinaqueoussolutions：AreviewCNM的合成化學(xué)合成法：Kroto，1980，富勒烯、C60；電弧放電（arcdischarge）：Iijima，1991，MWNTs、SWNTs。氣體氛圍：He,乙醇,丙酮,己烷氣體氛圍中，(150–500Torr)；液氮氛圍：大規(guī)模高純度MWNTs過渡金屬催化劑：SWNTs，氫氣或氬氣氛圍中，復(fù)合陽極（石墨和金屬構(gòu)成，如Ni、Fe、Co、Pd、Ag、Pt，或Fe、Co混合物，或Ni與其他元素包括Co–Ni、Fe–Ni、Fe–No、Co–Cu、Ni–Cu、Ni–Ti）激光蒸發(fā)法（laserablation）低溫氣相化學(xué)沉積法（lowtemperaturechemicalvapordeposition）C60Stabilizationanddispersionofcarbonnanomaterialsinaqueoussolutions：Areview碳納米材料的穩(wěn)定/分散Stabilizationanddispersionofcarbonnanomaterialsinaqueoussolutions：Areview碳納米材料的穩(wěn)定/分散Stabilizationanddispersionofcarbonnanomaterialsinaqueoussolutions：Areview碳納米材料的穩(wěn)定/分散水質(zhì)pHpH值（pH降低，吸附作用、增溶能力提高）構(gòu)象變化：酸性條件下NOM密度、螺旋化程度更高；質(zhì)子化作用：pH增加，SRNOM羧基、酚羥基去質(zhì)子化，導(dǎo)致

SWNTs和SRNOM之間的靜電排斥作用增強(qiáng)，使吸附量下降；位阻現(xiàn)象：SWNT表面的NOM表面密度越高，其與SWNT斥力越大；表面靜電排斥：

DLVO理論（Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek）；pH增加，帶陰電荷的量增加；氫鍵：影響MWNTs表面-COOH轉(zhuǎn)化為-COO-；四種穩(wěn)定劑（弱聚電解質(zhì)共價修飾懸浮液中的碳納米材料）：聚（丙烯酸）、聚（甲基丙烯酸）、聚（烯丙胺）、支鏈聚（乙烯亞胺)

Stabilizationanddispersionofcarbonnanomaterialsinaqueoussolutions：Areview碳納米材料的穩(wěn)定/分散水質(zhì)離子強(qiáng)度離子強(qiáng)度（在一定范圍內(nèi)，隨著增加而離散；超過一定范圍后，隨著增加而聚集）：在氯化鈉濃度≤100mM，aqu/C60總電荷足以妨礙聚合(反應(yīng)限制動力學(xué))，處于離散形式；在氯化鈉濃度≥300mM，不增加聚合,表明靜電斥力被屏蔽，聚集的能障消除，傾向于聚集。檢測指標(biāo)：光密度(opticaldensity,OD)：反映CNMs顆粒大小和顆粒濃度臨界凝聚濃度（criticalcoagulationconcentration,CCC）：懸浮MWNTs數(shù)量等于原來沒有離子時的數(shù)量50%時的離子濃度。主要機(jī)制：DLVO理論（范德華吸引力和靜電排斥力決定了膠體的穩(wěn)定性。）Stabilizationanddispersionofcarbonnanomaterialsinaqueoussolutions：Areview碳納米材料的穩(wěn)定/分散水質(zhì)溫度溫度（受到溫度變化的影響，溫度越低離散程度越高）主要機(jī)制：溫度升高，使SWNT獲得外部能量，,導(dǎo)致弱相互作用被破壞，布朗運動/碰撞，減少電動電勢。聚合物和水分子之間的分子間氫鍵在低溫下占優(yōu)勢，而三元共聚物鏈延長且溶于水,導(dǎo)致SWNTs

溶于水；溫度升高時，分子內(nèi)氫鍵之間的C=O和N-H導(dǎo)致密集和緊縮的三元共聚物鏈的構(gòu)象，使SWNT聚集。Stabilizationanddispersionofcarbonnanomaterialsinaqueoussolutions：Areview碳納米材料的穩(wěn)定/分散天然及合成分散劑天然種類：NOM、SRNOM：腐殖酸、胞外聚合物（extracellularpolymericsubstances.EPS）、海藻酸；薩旺尼河河腐殖酸（SuwanneeRiverhumicacid,SRHA）、電解質(zhì)(NaCl,MgCl2,andCaCl2)。機(jī)制：靜電排斥（EPS）：疏水多糖，可以與其他疏水材料相互作用，導(dǎo)致CNMs之間的排斥；官能團(tuán)：磷?；?、羥基、羧基基團(tuán)，增強(qiáng)CNMs負(fù)電荷，靜電排斥加強(qiáng)。π-π鍵：鞣酸（tannicacid，TA）溶液中：π-π鍵，芳香環(huán)優(yōu)先結(jié)合，形成單層薄層；氫鍵或其他極性相互作用，進(jìn)一步吸附。Stabilizationanddispersionofcarbonnanomaterialsinaqueoussolutions：Areview碳納米材料的穩(wěn)定/分散天然及合成分散劑天然阿拉伯膠（gumArabic,GA）：~250kDa，阿拉伯膠也稱為阿拉伯樹膠，來源于豆科的金合歡樹屬的樹干滲出物，因此也稱金合歡膠。阿拉伯膠主要成分為高分子多糖類及其鈣、鎂和鉀鹽。主要包括有樹膠醛糖、半乳糖、葡萄糖醛酸等。優(yōu)點：破壞包裝，導(dǎo)致SWNTs分散，由于對比檢測懸浮在液體中的材料性能及理論估計；吸附到SWNTs的GA分子，可以促進(jìn)單個SWNTs和聚合物基體之間的結(jié)合，形成緊密的結(jié)合相互作用。牛血清白蛋白（bovineserumalbumin，BSA）：牛血清白蛋白（BSA），是牛血清中的一種球蛋白，包含607個氨基酸殘基，分子量為66.446kDa，等電點為4.7。電荷和構(gòu)象屬性，較大的蛋白質(zhì)構(gòu)象導(dǎo)致脫落更快速，SWNT恢復(fù)率更高；熵參與脫落-穩(wěn)定過程：BSA-to-SWNT過高比例導(dǎo)致脫落速度慢、恢復(fù)率低。Stabilizationanddispersionofcarbonnanomaterialsinaqueoussolutions：Areview碳納米材料的穩(wěn)定/分散天然及合成分散劑合成表面活性劑（增強(qiáng)穩(wěn)定性）常見表面活性劑：TritonX系列（TritonX-100）機(jī)制：疏水作用、π-π鍵影響因素：溶液中膠束離子的濃度SWNT最優(yōu)條件：1.6%脫氧膽酸鈉（sodiumdeoxycholate,SD）；0.5%十二烷基苯磺酸鈉（sodiumdodecylbenzenesulfonate,SDBS）；3%TritonX-405；2%BrijS-100；5%PluronicF-127；3%PVP-55。機(jī)制：頭部親水基團(tuán)的之間的靜電排斥；陽離子和陰離子表面活性劑，反荷離子靜電力基本平衡。Stabilizationanddispersionofcarbonnanomaterialsinaqueoussolutions：Areview碳納米材料的穩(wěn)定/分散天然及合成分散劑合成溶劑：甲苯，二甲苯，苯，萘，氯仿，乙醇，丙酮，乙腈，N-甲基吡咯烷酮等機(jī)制：靜電排斥、空間位阻，破壞偶聯(lián)物共價鍵分子動力學(xué)模擬水中C60與之間的水誘導(dǎo)排斥力表明能量占主導(dǎo)地位；兩個富勒烯同時于水溶液中，水分子從富勒烯四周排出，導(dǎo)致C60–水相互作用能量損失；表明能量損失的大小被降低與C60–水相互作用有關(guān)。其他：咪唑溴化丙烯酸酯微膠乳共聚物

(25–30nm)聚（乙烯乙二醇-二丙烯硫化物）十六烷基三甲基銨硝酸鹽四氫呋喃（tetrahydrofuran，THF）和氮氣（靜電斥力、形成絡(luò)合物、電荷轉(zhuǎn)移）正戊烷、乙醚,1,3-二溴丙烷（形成絡(luò)合物）7,7,8,8-四氰基對二次甲基苯醌（7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane,TCNQ）Stabilizationanddispersionofcarbonnanomaterialsinaqueoussolutions：Areview碳納米材料的穩(wěn)定/分散超聲波超聲波（增大CNMs吸附能力，懸浮穩(wěn)定性）機(jī)制：空泡效應(yīng)：高溫導(dǎo)致壓力差，使納米表面剪切力增大，使其斷裂破碎。進(jìn)而使螺旋表面形成復(fù)雜的活性中間體?；钚灾虚g體基團(tuán)克服SWNT間的范德華力，促進(jìn)懸浮?？张荽笮?，影響穩(wěn)定性：低頻率超聲波導(dǎo)致大空腔。影響分散情況，縮短聚集體：通過光散射觀察流體力學(xué)半徑；中介效應(yīng)：小顆粒懸浮狀態(tài)更穩(wěn)定Stabilizationanddispersionofcarbonnanomaterialsinaqueoussolutions：Areview碳納米材料的穩(wěn)定/分散酸化和紫外線照射酸化/氧化：聚集動力學(xué)、形態(tài)學(xué)特征、吸附能力含氧基團(tuán)增加CNMs懸浮溶液穩(wěn)定性增加質(zhì)子氧功能基團(tuán)能夠抵制電解質(zhì)誘導(dǎo)的聚集紫外照射：表面侵蝕/溶解再結(jié)晶過程：陽光催化初生晶體分子表面NOM與C60的相互作用；相互作用的結(jié)果：第二晶體的表面電荷密度大于初生晶體；C60光蝕：光誘導(dǎo)C60氧化，氧氣改變表面水溶性中間體。表2總結(jié)了部分CNMs在水中的穩(wěn)定和分散情況和他們流體動力學(xué)信息Stabilizationanddispersionofcarbonnanomaterialsinaqueoussolutions：Areview碳納米材料的穩(wěn)定/分散酸化和紫外線照射Stabilizationanddispersionofcarbonnanomaterialsinaqueoussolutions：Areview碳納米材料的穩(wěn)定/分散酸化和紫外線照射Stabilizationanddispersionofcarbonnanomaterialsinaqueoussolutions：Areview吸附在水和廢水處理中的應(yīng)用吸附能力高：重金屬、甲基橙、人造紅色色素、酚類、藥品和其他有機(jī)化學(xué)物質(zhì)。污水處理：內(nèi)分泌干擾物質(zhì)（endocrine-disruptingcompounds,EDCs）、藥品、個人護(hù)理用品（personalcareproducts,PPCPs）對比傳統(tǒng)處理過程（絮凝、沉淀、過濾、消毒；活性污泥、生物過濾,和土壤含水層處理）：只能去除很少的EDCs、PPCPs受到污染物的理化性質(zhì)（pKa、疏水性）、污水處理工藝的類型（廢水出水后稀釋、降雨、溫度）等多種因素影響。影響因素：CNTs：吸附位點、表面積、純度、表面功能基團(tuán)（-OH、-C=O、-COOH）水體：pH值、背景離子和溫度（影響EDCs和PPCPs穩(wěn)定性）表面活性劑Stabilizationanddispersionofcarbonnanomaterialsinaqueoussolutions：Areview吸附在水和廢水處理中的應(yīng)用Stabilizationanddispersionofcarbonnanomaterialsinaqueoussolutions：Areview吸附在水和廢水處理中的應(yīng)用Stabilizationanddispersionofcarbonnanomaterial