汤鸿霄院士-纳米污染物与微界面过程

1、水体纳米污染物与微界面过程水体纳米污染物与微界面过程中国科学院生态环境研究中心 环境水质学国家重点实验室中国科学院生态环境研究中心 环境水质学国家重点实验室Aquatic Nano-Environmental Pollutants and Micro-Interfacial processesAquatic Nano-Environmental Pollutants and Micro-Interfacial processesS SKLEAKLEAC C 2004, 5汤 鸿 霄汤 鸿 霄Particulates in Broad Sence Particulates in Broad Sence SoluteSolute Polymers,ColloidsPolymers,Colloids Micro-ParticlesMicro-Particles 10 9 8 7 6 5 4 3 log (size/m) 1 1nm 0.45 m 1 m 1mm OH ,Cl , HCO3 Polysilicate Pigments Cement SO42 , HS Fex(OH)y FeOO

2、H Dust Silt Al13(OH)327+ MnO2 Fine sand Na+,K+,Ca2+ Carbon black Clays Middle sand Mg2+, Cu2+ Polysulfide Carbonates Polyphosfates Suspended sediments Org.acid, Oxacid DNA Adsorbed organics Amino acid Enzyme Red blood Benzoic acid, Dyes Cellulose Pulp debris Peptides Protein Rubber Oil drops Aniline Polysaccharides Flocculants Fulvics Humics Polycondensates LivingsLivings Virus Bacteria Algae Planktons Particle Size SpectrumParticle Size SpectrumInorganicsOrganicsS SKLEAKLEAC C POPs PTSsPOPs PTS

3、snanomicronanomicro环境纳米环境纳米-微米颗粒物微米颗粒物 (100nm100m） 土壤土壤：胶体、粘土矿物 、团粒：胶体、粘土矿物 、团粒 水体水体：悬浮物、沉积物、腐殖质：悬浮物、沉积物、腐殖质 大气大气：可吸入微粒、气溶胶、烟尘：可吸入微粒、气溶胶、烟尘 生物生物：大分子、细胞、细菌、藻类：大分子、细胞、细菌、藻类环境纳米污染物环境纳米污染物ENP ENP (1nm100nm) 无机无机：重金属水合物,聚硫化物,聚磷酸,聚硅酸, 碳黑,烟雾,微晶体：重金属水合物,聚硫化物,聚磷酸,聚硅酸, 碳黑,烟雾,微晶体 有机有机：POPs, PTS(持久性,难降解) 农药,染料,卤 代烃,多环芳烃,多氯联苯,内分泌干扰物：POPs, PTS(持久性,难降解) 农药,染料,卤 代烃,多环芳烃,多氯联苯,内分泌干扰物 生物生物：蛋白质：蛋白质,含氧酸含氧酸, DNA, 酶酶, 病毒病毒, 藻毒素藻毒素MW1000, 粒度粒度1nm微界面体系微界面体系 Nano-Micro Interface System水体颗粒物水体颗粒物-溶液大气颗粒物溶液大气颗粒物-空气土壤颗粒物空气土

4、壤颗粒物-地下水 大气颗粒物地下水 大气颗粒物-水膜动植生物膜水膜动植生物膜-溶液植物根系溶液植物根系-土壤、固定滤层土壤、固定滤层-水溶液空气除尘水溶液空气除尘-水溶液浮选气泡水溶液浮选气泡-水溶液活性炭水溶液活性炭- 废水、高分子膜废水、高分子膜-水溶液活性污泥水溶液活性污泥-污水污水分子量粒度分散化学官能团多种形态形貌多样化反应活性区各异结构组成多变化电性或极性显著聚合聚集趋势明显复合组合体系复杂界面反应过程普遍分子量粒度分散化学官能团多种形态形貌多样化反应活性区各异结构组成多变化电性或极性显著聚合聚集趋势明显复合组合体系复杂界面反应过程普遍生态干扰毒性强烈迁移扩散范围广阔环境效应功能巨大生态干扰毒性强烈迁移扩散范围广阔环境效应功能巨大 尺度效应结构效应尺度效应结构效应环境纳米污染物的特征环境纳米污染物的特征矿物微粒腐殖质金属氧化物 微污染物腐殖质腐殖质矿物微粒矿物微粒金属氧化物金属氧化物有机有毒物有机有毒物水体颗粒物与纳米污染物结构模型水体颗粒物与纳米污染物结构模型重金属重金属有机絮凝剂有机絮凝剂无机絮凝剂无机絮凝剂The Structural Model of Aquatic

5、 Particulates细菌细菌,病毒病毒水体纳米污染物的界面过程与界面控制技术水体纳米污染物的界面过程与界面控制技术水质界面转化过程水质界面转化过程 溶解溶解, 沉淀络合沉淀络合, 螯合 氧化螯合 氧化, 还原催化还原催化, 光解 吸附光解 吸附, 解吸吸收解吸吸收, 释放 降解释放 降解, 富集凝聚富集凝聚, 絮凝 聚合絮凝 聚合, 解聚渗透解聚渗透, 过滤 扩散过滤 扩散, 迁移沉积迁移沉积, 蓄积蓄积界面控制技术界面控制技术 混合混合, 沉 淀 澄清沉 淀 澄清, 过 滤 吸附过 滤 吸附, 絮 凝 气浮絮 凝 气浮, 超 滤 化学沉淀 生物过滤 生物氧化 离子交换 浓缩脱水超 滤 化学沉淀 生物过滤 生物氧化 离子交换 浓缩脱水不平衡动力学，环境毒性效应 决定性步骤不平衡动力学，环境毒性效应 决定性步骤运用纳米技术 进行污染防 治，处理和修 复，能够确实 强化环境质量 和可持续性运用纳米技术 进行污染防 治，处理和修 复，能够确实 强化环境质量 和可持续性ES&T FeatureFeature 2003, 3, 1Werner Stumm Kc Kintexp (F s/

6、RT) Acid-Base Equilibria S-OH + H+= S-OH2+ Surface Binding S-OH + Mz+= S-OM(z1)+ H+ Ligand Exchange S-OH + L= S-L + OH Ternary Complex S-OH+L+ Mz+= S-L-z+ + OH VMINTEQ FITEQLS SKLEAKLEAC C Surface Complexation TheorySurface Complexation TheoryAdsorption of Rare Earth Metals on Adsorption of Rare Earth Metals on Chinese LoessChinese Loess稀土金属 铈稀土金属 铈CeCe, 钕, 钕Nd Nd 在中国黄土的吸附在中国黄土的吸附中国黄土的化学组成中国黄土的化学组成S SKLEAKLEAC C (as oxides)Element % Element % Element %* Crystall waterS SKLEAKLEAC C Gran Plot of

7、Chinese LoessGran Plot of Chinese LoessS SKLEAKLEAC C Model Description for Surface Properties of Chinese LoessModel Description for Surface Properties of Chinese LoessFITEQLFITEQLS SKLEAKLEAC C The Simulation Results for Adsorption of Cerium (Ce)The Simulation Results for Adsorption of Cerium (Ce)S SKLEAKLEAC C The Simulation Results for Adsorption of Neodymium(Nd)The Simulation Results for Adsorption of Neodymium(Nd)Adsorption of Poly- Aromatic Hydrocarbons (Adsorption of Poly- Aromatic Hydroc

8、arbons (PAHsPAHs) on Sediment, Soil, ) on Sediment, Soil, HumicsHumics多环芳烃在沉积物和 腐殖质的吸附多环芳烃在沉积物和 腐殖质的吸附官厅水库流域采样点官厅水库流域采样点沉积物对多环芳烃吸附的 动力学模型沉积物对多环芳烃吸附的 动力学模型Sed1 Soil1 Sed2 Sed3Soil2Sed4 S SKLEAKLEAC C The Dissolved Organic Matter in Soils, Sediments (HThe Dissolved Organic Matter in Soils, Sediments (H1 1NMR)NMR)Sed2妫河沉积物北寨河土壤1003沉积物妫河土壤妫桥沉积物1008沉积物妫河沉积物北寨河土壤1003沉积物妫河土壤妫桥沉积物1008沉积物萘 菲 芘萘 菲 芘萘 菲 芘萘 菲 芘萘 菲 芘萘 菲 芘萘 菲 芘萘 菲 芘萘 菲 芘萘 菲 芘萘 菲 芘萘 菲 芘The Functional Groups of Humics ( CPMAS The Functional Groups of Humics ( CPMAS 1313C NMR )C NMR )Guanting,Beijing (GT)Tianjin (TJ)Shanghai (SH)S SKLEAKLEAC C 1.860.920.72Hydrophobic3.312.42.5Aldehyde, Ketone (185-220 ppm)3.15.315.0Carboxy (165-185 ppm)13.017.07.7Aromatic Polar (140-165 ppm)51.023.913.6Aromatic Nonpolar (100-140 ppm)17.623.130.1Aliphatic Polar (40-100 ppm)11.817.824.6Aliphatic Nonpolar (0-40 ppm)SHTJGT%S SKLEAKLEAC C Adsorp

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