一种利用氧化铁纳米晶体吸附纳米塑料的方法

本发明涉及吸附纳米塑料的方法，具体为一种利用氧化铁纳米晶体吸附纳米塑料的方法。

背景技术：

1、纳米塑料(nps)被认为是一组新兴的污染物，在自然环境中经常被检测到的。每年释放到陆地环境中的塑料垃圾在海洋环境中是4-23倍。因此，土壤是塑料垃圾更重要的汇。在环境中，大块塑料碎片的聚合物结构会被破坏变脆，进一步分解为小颗粒尺寸的微塑料，甚至纳米塑料。研究表明，塑料残渣变成纳米塑料会破坏土壤中团聚体结构等微小结构，降低土壤孔隙度和土壤含水量等物理指标，进而降低了土壤透气性和透水性，从而影响作物生长。此外，土壤中的纳米塑料还可能成为致病菌等有害微生物的运输载体，影响土壤生态系统的健康和土壤动物的生存。因此，考虑到纳米塑料暴露在环境中对生态系统、公共卫生和食品安全造成的风险，研发吸附降解土壤中纳米塑料的新型材料具有重要的意义。

2、在自然环境中nps的流动性和生物利用度受到丰富矿物的强烈影响。氧化铁作为地壳和土壤中储量最丰富的矿物之一，因其优异的吸附能力和对环境的友好性而受到越来越多的关注。因此，了解nps在铁氧化物上的吸附机理，并利用铁氧化物吸附nps具有重要的环境意义。除了铁氧化物的物理化学性质，铁氧化物的表面活性会受到其固有性质的显著影响，如晶体结构和颗粒大小外。以此同时，铁氧化物晶体结构和颗粒的暴露面在控制吸附界面反应过程中具有重要的内在驱动作用。现有的研究大多集中在污染物通过球内配位和对赤铁矿表面影响的协调上，而对球外晶体结构的研究非常有限。研究表明，土壤中的铁氧化物与nps之间存在一定的相互作用，而这种作用通常是通过外球配位来实现的。然而，很少有研究讨论铁氧化物暴露的晶面与nps相互作用的内在性质的具体机理和相关影响因素的研究方法。因此，急需研发一种利用氧化铁纳米晶体吸附纳米塑料的方法来解决这些问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种利用氧化铁纳米晶体吸附纳米塑料的方法，以解决上述背景技术中提出的现有氧化铁吸附纳米塑料的简单现象，并没有进一步找出nps与氧化铁相互作用的内在机理和相关影响因素的研究方法，而阻碍nps与土壤矿物界面相互作用进一步研究的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种利用氧化铁纳米晶体吸附纳米塑料的方法，包括以下步骤：

3、步骤1：采用水热法制备赤铁矿纳米材料，通过扫描电镜图像找出赤铁矿纳米颗粒的特殊形状，选择晶面分别为hem-001、hem-012和hem-100的赤铁矿纳米材料；

4、步骤2：表征赤铁矿纳米材料的氧化铁纳米晶体，采用氮吸附法对赤铁矿纳米材料的比表面积进行表征，通过扫描电子显微镜对赤铁矿纳米材料的形状、形貌和粒径进行观测，利用纳米激光粒径分析仪获得粒子的zeta电位，采用ultima iv x射线衍射仪对赤铁矿纳米颗粒的相结构进行x射线衍射表征；ftir表征赤铁矿纳米颗粒的主要官能团；用xps表征赤铁矿纳米颗粒和psnps表面化学成分的变化；利用thermo scientific k-alpha光谱仪，利用o1s和fe 2p xps光谱对psnps和赤铁矿纳米颗粒进行分析，并以结合能c1s作为能量修正；

5、步骤3：制备纳米塑料-赤铁矿样品，将聚苯乙烯纳米塑料(psnps)溶于水制备成50ml的纳米塑料悬浮液超声处理10分钟，并加入30mg赤铁矿纳米颗粒，随后，在黑暗中摇晃小瓶中混合3天，混合转速为150rpm，混合温度为25℃，静置8h后，取出5ml的上清液，用紫外可见分光光度计在800nm波长下测量第一吸光度；

6、步骤4：制备赤铁矿纳米颗粒空白对照样品，将30ml的去离子水超声处理10分钟，并加入30mg赤铁矿纳米颗粒，随后，在黑暗中摇晃小瓶中混合物3天，混合转速为150rpm，混合温度为25℃，静置8h后，取出5ml的上清液，用紫外可见分光光度计在800nm波长下测量第二吸光度；

7、步骤5：利用psnps与赤铁矿纳米颗粒的相互作用，通过离心分离psnps悬浮液中的矿物，离心转速为3000rpm,离心时间为30min，离心后的psnps悬浮液再进行10分钟20khz的超声，超声后保持稳定，通过离心可以有效分离分散psnps悬浮液中的赤铁矿，然后，利用psnps在25℃去离子水中20khz进行超声5分钟，以获得psnps悬浮液；最后，通过20mg的赤铁矿纳米颗粒加入到小瓶中，小瓶中含有10ml psnps悬浮液，并在黑暗中以150rpm转速进行摇晃，摇晃温度为25℃，达到反应平衡，在振动过程中，每隔十分钟取样，固相从溶液中以3000rpm转速进行30分钟的离心分离，离心并小心去除上清液后，用荧光分光光度计测量ex在468nm和em在508nm处的psnps浓度；

8、步骤6：氧化铁纳米材料中fe3+的释放及其对psnps聚合的去除，在20mg赤铁矿中加入去离子水10ml，用hno3和koh调节溶液ph值至3.0～11.0，经过150rpm转速的12小时振荡，再进行3000rpm转速进行30分钟离心，并通过0.22mm的特氟龙过滤器；利用fe3+对psnps聚集和沉积的作用，在psnps悬浮液中加入氯离子溶液，fe3+的浓度在0～2.00mm范围内均匀分布，摇晃12小时后，将psnps与fe3+或不含fe3+进行3000rpm,转速离心，离心时间为20分钟，然后，采用动态光散射法测定了psnps在fe3+电解质溶液中的临界凝结浓度ccc；

9、步骤7：检验氧化铁纳米材料中fe3+对psnps聚合的去除效果，利用ftir对psnps和psnps-赤铁矿配合物进行表征，制备浓度为5ppm的psnps溶液，每个玻璃管取20ml psnps溶液和0.020g吸附剂，并在25℃下150rpm进行振荡，分别在振荡开始、振荡一小时、振荡两小时、振荡五小时、振荡七小时、振荡十二小时时分别收集psnps-赤铁矿配合物，以2000r/min的速度离心20min，除去上清后，沉淀物在40度的烘箱中干燥，将1.0mg的psnps-赤铁矿粉加入100mg的光谱纯级kbr，研磨和压制后测量ftir，利用2d-shige软件对ftir数据进行分析，得到2d-cos分析结果，最终得到检验氧化铁纳米材料中fe3+对psnps聚合的去除效果。

10、优选的，所述步骤1中纳米立方体hem-001的平均尺寸为70-90nm，分布均匀；hem-012为六方纳米板，平均宽度为154.2nm，平均厚度为28.7nm，hem-100的长度和宽度分别为300-400nm和60-70nm。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明选择了具有{001}、{012}和{100}面的赤铁矿纳米粒子作为材料，充分利用psnps的表面吸附作为模型反应，通过psnps静电相互作用与矿物表面结合的过程。通过三种吸附模型对反应动力学数据进行分析，反映出暴露面对psnps相互作用亲和力的控制作用。通过ftir和2d-cos分析确定了psnps与赤铁矿表面的相互作用方式。x射线光电子能谱(xps)和密度泛函理论(dft)计算结果表面了不同暴露面吸附量与表面羟基密度之间的关系，解决了现有氧化铁纳米晶体吸附纳米塑料的方法只是简单地确认了psnps对不同氧化铁吸附的机理，并没有进一步nps与氧化铁相互作用的内在性质的具体机理和相关影响因素的研究方法，必然会阻碍nps与土壤矿物界面相互作用的进一步研究的问题。