利用 SP-ICP-MS 研究納米顆粒在水質凈化的凝絮過程中的行為
簡介
工程納米顆粒（ENP）可能通過廢水排放、含有 ENP 產品的錯誤處置，以及室外應用浸出等方式進入天然水體，對環境造成潛在污染，這引發了人們的廣泛擔憂 1-3。如果飲用水水源中混入 ENP，則需評估在關
鍵飲用水處理過程中 ENP 的去向。凝絮沉淀是從飲用水中去除各類顆粒的主要處理方法之一。因此，我們需要了解標準凝絮過程中 ENP 的行為，以便準確預測人類通過飲用水接觸 ENP 的情況4 。單顆粒ICP-MS（SP-ICP-MS）技術是 ENP 環境監測領域的重要進展，能夠通過簡單的前處理快速評估 ENP 的尺寸、數量和溶解金屬濃度。新近開發的 SP-ICP-MS 方法適用于水中銀、金、二氧化鈦、氧化鋅和二氧化鈰 ENP 的表征和定量5,6。
由于消費品和商品中使用了大量的 ENP，因此本項工作主要聚焦的是五種常見 ENP：銀、金、二氧化鈦、氧化鋅和二氧化鈰。在兩類地表水中，通過 SP-ICP-MS 評估這些顆粒在凝絮過程中的行為。更多詳細信息請參見近期刊發在《Chemosphere》的論文 7 。這些實驗采用的是4區凝絮，也即絮凝物清除。當添加凝絮劑直至溶解點時，會發生絮凝物清除，使不溶性“絮凝物”聚集在一起。水中其他顆粒將被凝入絮凝物中，并在沉降過程中被清除。由于易于使用，該技術已是廢水和飲用水處理系統中最常用的凝絮方法。
實驗
材料
檸檬酸鹽穩定的銀納米顆粒（40、70 和 100 nm 直徑）和 2 mM 檸檬酸鈉中的金納米顆粒（50、80 和 100 nm直徑）均采購于 nanoComposix, Inc.。（美國加利福尼亞州圣地亞哥）。無包覆的二氧化鈦（100 nm）、二氧化鈰（30-50 nm）和氧化鋅（80-200 nm）納米顆粒皆采購于US Research Nanomaterials, Inc.。（美國德克薩斯州休斯頓）。在去離子水中制備 ENP 的原料懸浮液。在水基質中制備溶解型銀、金、鈦、鈰和鋅標準溶液，以實現基質效應的最小化，用于儀器校準目的。
為模擬凝絮過程，硫酸鋁（Al2(SO4)3∙18H2O）、氯化鐵（FeCl3∙6H2O）和硫酸鐵（Fe2(SO4)3∙4H2O）等最常用的混凝劑皆采購于 Thermo Fisher Scienti c, Inc.。（美國賓夕法尼亞州匹茲堡）。河水樣品取自密蘇里河，而湖水樣品取自密蘇里州羅拉市的舒曼湖。從距離河岸大約兩英尺處的水面下方采集樣品。使用預先清潔的聚丙烯瓶收集樣品，而后將其儲存于冰箱之中直至使用。在使用之前，將冷藏樣品置于室溫環境中。
儀器和 SP-ICP-MS 方法
使用配備有 Syngistix™納米應用軟件模塊的 PerkinElmer NexION® ICP-MS 進行樣品分析和數據處理。儀器和方法參數如表 1 和表 2 所示，更多詳情參見參考文獻 8,9。為避免48Ca 對48Ti 產生干擾，請選擇47Ti 進行分析。
凝絮處理
凝絮處理（Phipps and Bird）采用六角攪拌頭和 2 L 方形燒杯。在燒杯中加入 2 L 水后，依次將 70 nm 金（5µg/L 金）、80 nm 銀（2 µg/L 銀）、100 nm 二氧化鈦（6 µg/L 鈦）、30-50 nm 二 氧 化 鈰（5 µg/L 鈰）和80-200 nm 氧化鋅（6 μg/L 鋅）等納米顆粒加入燒杯之中，并以 100 rpm 速度攪拌 1 分鐘將納米顆粒分散。將已知濃度的凝絮劑加入燒杯中，并以 300 rpm 速度攪拌 30秒（快速混合），然后分別以 58、42 和 28 rpm 速度攪拌 10 分鐘（絮凝階段），最后靜止沉淀 3 小時。分散和沉淀后立即取樣，以評估納米顆粒經處理后的粒度、濃度和溶解離子濃度的變化。
本研究重點關注一種特定類型的凝絮處理：4 區凝絮，通過添加一定量凝絮劑，從而形成不溶性沉淀物。顆粒聚集在沉淀物中，而后通過沉降清除。
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