利用SPICPMS研究纳米颗粒在水质净化的凝絮过程中的行为

简介   

工程纳米颗粒（ENP）可能通过废水排放、含有 ENP 产品的错误处置，以及室外应用浸出等方式进入天然水体，对环境造成潜在污染，这引发了人们的广泛担忧 1-3。如果饮用水水源中混入 ENP，则需评估在关  键饮用水处理过程中 ENP 的去向。凝絮沉淀是从饮用水中去除各类颗粒的主要处理方法之一。因此，我们需要了解标准凝絮过程中 ENP 的行为，以便准确预测人类通过饮用水接触 ENP 的情况4 。单颗粒ICP-MS（SP-ICP-MS）技术是 ENP 环境监测领域的重要进展，能够通过简单的前处理快速评估 ENP 的尺寸、数量和溶解金属浓度。新近开发的 SP-ICP-MS 方法适用于水中银、金、二氧化钛、氧化锌和二氧化铈 ENP 的表征和定量5,6。    由于消费品和商品中使用了大量的 ENP，因此本项工作主要聚焦的是五种常见 ENP：银、金、二氧化钛、氧化锌和二氧化铈。在两类地表水中，通过 SP-ICP-MS 评估这些颗粒在凝絮过程中的行为。更多详细信息请参见近期刊发在《Chemosphere》的论文 7 。这些实验采用的是4区凝絮，也即絮凝物清除。当添加凝絮剂直至溶解点时，会发生絮凝物清除，使不溶性“絮凝物”聚集在一起。水中其他颗粒将被凝入絮凝物中，并在沉降过程中被清除。由于易于使用，该技术已是废水和饮用水处理系统中最常用的凝絮方法。    实验   材料    柠檬酸盐稳定的银纳米颗粒（40、70 和 100 nm 直径）和 2 mM 柠檬酸钠中的金纳米颗粒（50、80 和 100 nm直径）均采购于 nanoComposix, Inc.。（美国加利福尼亚州圣地亚哥）。无包覆的二氧化钛（100 nm）、二氧化铈（30-50 nm）和氧化锌（80-200 nm）纳米颗粒皆采购于US Research Nanomaterials, Inc.。（美国德克萨斯州休斯顿）。在去离子水中制备 ENP 的原料悬浮液。在水基质中制备溶解型银、金、钛、铈和锌标准溶液，以实现基质效应的最小化，用于仪器校准目的。    为模拟凝絮过程，硫酸铝（Al2(SO4)3∙18H2O）、氯化铁（FeCl3∙6H2O）和硫酸铁（Fe2(SO4)3∙4H2O）等最常用的混凝剂皆采购于 Thermo Fisher Scientic, Inc.。（美国宾夕法尼亚州匹兹堡）。河水样品取自密苏里河，而湖水样品取自密苏里州罗拉市的舒曼湖。从距离河岸大约两英尺处的水面下方采集样品。使用预先清洁的聚丙烯瓶收集样品，而后将其储存于冰箱之中直至使用。在使用之前，将冷藏样品置于室温环境中。    仪器和 SP-ICP-MS 方法    使用配备有 Syngistix™纳米应用软件模块的 PerkinElmer NexION® ICP-MS 进行样品分析和数据处理。仪器和方法参数如表 1 和表 2 所示，更多详情参见参考文献 8,9。为避免48Ca 对48Ti 产生干扰，请选择47Ti 进行分析。   

凝絮处理   

凝絮处理（Phipps and Bird）采用六角搅拌头和 2 L 方形烧杯。在烧杯中加入 2 L 水后，依次将 70 nm 金（5µg/L 金）、80 nm 银（2 µg/L 银）、100 nm 二氧化钛（6 µg/L 钛）、30-50 nm 二 氧 化 铈（5 µg/L 铈）和80-200 nm 氧化锌（6 μg/L 锌）等纳米颗粒加入烧杯之中，并以 100 rpm 速度搅拌 1 分钟将纳米颗粒分散。将已知浓度的凝絮剂加入烧杯中，并以 300 rpm 速度搅拌 30秒（快速混合），然后分别以 58、42 和 28 rpm 速度搅拌 10 分钟（絮凝阶段），最后静止沉淀 3 小时。分散和沉淀后立即取样，以评估纳米颗粒经处理后的粒度、浓度和溶解离子浓度的变化。   本研究重点关注一种特定类型的凝絮处理：4 区凝絮，通过添加一定量凝絮剂，从而形成不溶性沉淀物。颗粒聚集在沉淀物中，而后通过沉降清除。