| 题名 | 固体颗粒物对氧气纳米气泡稳定性的影响研究 |
| 作者 | 杨波 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2011-05-01 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 潘纲 |
| 关键词 | 氧气纳米气泡 颗粒物表面 超声 变温 醇水交换 憎水性 |
| 其他题名 | Effect of particle surface on the formation and stability of oxygen nanobubbles |
| 学位专业 | 环境工程 |
| 中文摘要 | 纳米科学和技术是当今世界公认的几大前沿领域之一。纳米技术的悄然崛起，为改善水环境和治理水体污染创造了有利条件。纳米技术及传统纳米材料在有机和无机废水治理，饮用水净化和天然水体污染防治等领域都有着广阔的应用前景。但是，随着纳米材料在环境相关领域中广泛应用，其可能引起的潜在环境问题已引起科学家广泛关注。对于纳米尺度物质生物效应，尤其是环境安全效应 问题，目前研究数据还很不全面，尚无相对明确结论。大规模的应用传统纳米材料需要考虑其生态安全性。近年来，纳米气泡的研究受到越来越广泛的关注。由于纳米气泡具有传统纳米材料的诸多优点，同时兼具生态环境安全性，所以，利用纳米气泡来治理水体污染，有望成为一种安全高效的技术方法。利用固体颗粒物来稳定纳米气泡，并靶向性的作用于受污染的水体，可大大提高纳米气泡的利用效率。研究纳米气泡的产生机制及其在固体颗粒物上的形成及稳定性原理，是调控纳米气泡和利用纳米气泡治理水体污染的前提和基础。本文结合目前纳米气泡的产生方法，采用超声、变温和醇水交换等3 种方法来产生氧气纳米气泡，研究了3 种方法产生氧气纳米气泡的机制以及氧气纳米气泡的测定方法。同时，针对所产生的氧气纳米气泡，研究了其在固体颗粒物上的形成机制，采用了毛细上升法对固体颗粒物的接触角进行了测定，并通过改性固体颗粒物使其获得了不同的浸润性能，分析了固体颗粒物的浸润性能及表面形貌对氧气纳米气泡形成和稳定性的影响。研究结果表明： 1. 采用超声波电极对曝纯氧的表面活性剂和壳聚糖溶液进行超声处理后，动态光散射仪能在溶液中检测到氧气纳米气泡，在表面活性剂溶液中，所产生的氧气纳米气泡的粒径范围为50nm—600nm 之间，而在壳聚糖溶液中不仅能产生纳米气泡，同时还存在微米气泡。上述两种溶液中产生的氧气纳米气泡的稳定性不超过24h。但是，对超纯水进行超声处理后，动态光散射仪并没有检测到氧气纳米气泡的粒径分布。 2. 超声所产生的纳米气泡可能是由于超声空化过程而产生的。并且，增加溶液的粘度和表面张力可能有助于纳米气泡在溶液中产生。在产生纳米气泡的溶液中添加带相反电荷的固体颗粒物，可以提高纳米气泡的稳定性。但是，超声处理在溶液中产生的纳米气泡的数量有限，因此，超声的方法产生的纳米气泡的可调控性受到限制。 3. 碘量法能够准确测定溶液及硅藻土悬浊液中的氧含量，测定的氧含量中，不仅包括溶解氧的量，还包括存在于液体或者悬浊液中以气泡形式存在的氧的量。并且，此方法比电极法的测定范围更广，氧含量超过40mg/L 也能进行准确的测定。 4. 对于纯氧饱和的硅藻土悬浊液，对其经过升温处理，可使其表面形成一定的氧气纳米气泡，碘量法测定结果也证明硅藻土悬浊液的含氧量高出了同等实验条件下对照超纯水中的氧含量。但是，增加硅藻土的浓度，并不能使悬浊液中的氧含量提高，形成的氧气纳米气泡并不稳定，可能与硅藻土是亲水性的表面有关。因此，非常有必要研究不同浸润性能的表面对纳米气泡稳定性的影响，以达到调控纳米气泡的目的。 5. 毛细上升法可以较准确的测量硅藻土和二氧化硅颗粒物的接触角，所得的线性回归方程相关性系数高。未改性的硅藻土和二氧化硅为亲水性的颗粒物，在纯水中其接触角分别为45.8°和47.7°。采用六甲基二硅胺烷(HMDS)改性硅藻土和二氧化硅后，纯水不能将其浸润，接触角大于90°，表面由亲水性转变为憎水性。采用HMDS 改性的硅藻土和二氧化硅，其接触角在乙醇水溶液中随着乙醇浓度的增大而减小，在不同浓度的乙醇水溶液中具有不同的浸润性能，因此，可以采用HMDS 改性的硅藻土和二氧化硅来研究固体颗粒物表面浸润性能对纳米气泡稳定性的影响。 6. 固体表面接触角是界面纳米气泡形成并稳定的关键性因素。界面纳米气泡生成的量随着憎水性表面积的增加而增加。 7. 在有憎水性表面存在的情况下，过剩气体分子倾向于直接在固体表面的成核中心聚集，并以纳米气泡的形式稳定存在于憎水性表面。在有亲水性表面存在的情况下，过剩气体分子同样倾向于直接在固体表面的成核中心聚集，但是并不会以纳米气泡的形式存在于固体表面，而是在固体表面聚集长大成为微米气泡，并从亲水的固体表面逃逸，最终扩散至空气中。接触角越小，过剩气体逃逸的速度越快。而憎水性表面能够稳定住在其表面形成的纳米气泡，并且，接触角越大，稳定存在的纳米气泡数量越多。 |
| 语种 | 中文 |
| 学科主题 | 水处理工程 |
| 公开日期 | 2011-08-30 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/764]  |
| 专题 | 生态环境研究中心_环境水质学国家重点实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 杨波. 固体颗粒物对氧气纳米气泡稳定性的影响研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2011. |
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