1、课 题 设 计课题： 纳米材料型吸附剂对微量金属吸附的研究 1目 录1， 纳米吸附材料简介2， 纳米二氧化钛对隔离子的吸附研究3， 纳米氧化锌对废水中铜、镉离子吸附性能研究4， 纳米 TiO2 对痕量 Pb()的吸附研究2如今，随着工业的高速发展，工业生产排出的废水，特别是重金属废水对周围环境的污染日益严重重金属废水主要含有铬镍铜锌汞锰镉钒及锡等有毒重金属离子，它的来源很广，如金属矿山电解电镀医药制革工业等等不加处理或处理未达标的重金属废水大量排放，将会对人类自身的健康和生态环境造成极大危害因此，如何科学有效地处理重金属废水已经成为国内外科研工作者研究的热点之一。目前对重金属废水的处理方法主要
2、有：化学沉淀法，氧化还原法，吸附法，电解法，电渗析法，浓缩法，生物法等。目前，纳米材料因其独特的物理化学性质而被广为重视，并逐步应用于各个领域，纳米氧化锌因具有优异的电、磁、光、力学和化学等宏观特性，在精细陶瓷、紫外线屏蔽、压电材料、光电材料、高效催化材料、磁性材料等方面有广泛的应用，颇受科研人员青睐，现成为纳米无机粉体中研究的热点。由于其颗粒尺寸的细微化，比表面积急剧增加，表面分子排布、电子结构和晶体结构都发生变化，具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，从而使纳米材料具有一系列优异的物理、化学、表面和界面性质。由于其颗粒尺寸的微细化，使得纳米粉体在保持原有化学性质的同时
3、，还在磁性光学催化化学活性吸附等方面表现出奇异的性能，纳米吸附材料相对于矿物吸附材料以及工农业废弃物成本较高，但纳米材料的可再生性能又是其不可忽略的一个优点。因此倍受人们的关3注。在重金属废水的处理中，纳米材料吸附法具有材料便宜易得，成本低，去除效果好而且不会产生二次污染的特点。在实际运用中需要考虑的问题是选择最合适的吸附材料，所以开发廉价新型的吸附剂是研究的主要目标。选材因素可从材料的适用性材料的价格，材料的吸附效果，材料的可再生性等方面考虑此外，吸附法处理重金属离子的许多研究工作还处于实验室阶段，需要更深的研究，以便更好地为工业生产服务。本文介绍了对三种纳米材料吸附剂的吸附研究。4纳米二氧
4、化钛对隔离子的吸附研究摘 要: 研究了纳米二氧化钛吸附溶液中镉离子的有效方法和途径。采用双硫腙直接比色法测定镉离子浓度,详细研究了纳米二氧化钛吸附镉离子过程中的影响因素。通过实验,确定了吸附的最佳条件,进一步研究了吸附镉离子后二氧化钛的洗脱以及设想模拟实体水样中痕量镉离子的检测。样品体系在温度 50，pH=10,震荡时间 9 min 以上的条件下,纳米二氧化钛对镉离子的吸附率可达 99 %。吸附在纳米二氧化钛上的镉离子可以用 0.1 mol/L 的硝酸进行洗脱,洗脱率在95 %以上。关 键 词: 纳米二氧化钛; 镉离子; 吸附纳米二氧化钛是指粒径尺寸在 100nm 以内的粒子,由于其粒子尺寸小
5、、比表面积大,表面能表面张力随粒径的下降急剧增大而使其具有一系列新异的物理化学性质,如量子效应、体积效应表面效应等 ,在净化水体和空气等方面起着重要的作用1。此外 ,纳米二氧化钛表面原子周围缺少相邻的原子,具有不饱和度,易于其他原子结合而稳定下来,对许多金属离子具有很强的吸附能力,是痕量金属离子分析的理想分离富集材料2。镉是一种对人体毒性很大的金属元素,是环境污染的主要元素之一,人体摄入过多会严重影响人的肾脏、肝和肺等4,镉离子污染不同于有机物污染,后者可以在环境中被其他微生物降解,而镉污染一旦形成,将很难治理。因此研究废水中镉离子的吸附问题具有重要的现实意义5。本实验研究了纳米二氧化钛的吸附
6、性能,确定了最佳吸附和洗脱条件,并将其用于模拟实体水样中痕量镉离子的检测,对含镉废水的治理提供了有价值的信息。一 实验准备1.1 主要原料试剂和仪器数控超声波清洗器; PHS- 3C 精密显示酸度计 ; 721 分光光5度计。纳米二氧化钛采用新的微乳液体系制备 ,硝酸、氨水、硝酸镉、双硫腙、盐酸羟胺、聚乙二醇氧基苯基醚均为分析纯。1.2 纳米二氧化钛的制备及预处理取环己烷、水、聚乙二醇辛基苯基醚混合均匀,以一定比例的某两种混合烷基醇作助表面活性剂,配制微乳液。将一定量的钛酸四正丁酯缓慢滴入微乳液中,充分搅拌 45h 后,加入丙酮 水的混合液,静止片刻分离,取走上清液,再用丙酮反复洗涤沉淀物,抽
7、滤得到无色的凝胶状物质,然后在 70下真空干燥 12h ,得到水合 TiO2,为浅黄色粉末前驱体,再将得到的前驱体置于马福炉中焙烧,得到晶型完整的锐钛矿型纳米 TiO2 粉末。纳米二氧化钛使用前用 2mol/L 硝酸浸泡 20min,然后用二次蒸馏水洗涤至中性,抽滤后于 100烘干备用。1.3 水中镉离子的测定本实验采用双硫腙直接比色法6测定水中镉离子: 在强碱性溶液中,水中的镉离子与双硫腙生成红色配合物,加入卤化剂聚乙二醇氧基苯基醚增色增溶,进行测定吸光度。此方法的精密度,准确度均好,可直接用于测定水中的镉离子。分别取镉标准使用液 2.5(g/mL) 0、1、2、3、4、5 mL ,0.6
8、mol/L 的 NaOH 2mL,加入双硫腙使用液 10 mL ,盐酸羟胺 0.5 mL ,聚乙二醇氧基苯基醚 0.5mL,用水稀释至 25mL 于比色管中,在 538 nm 处,测定吸光度 ,以试剂空白为参比。6镉离子标准曲线数据表浓度c/(ug/mL)0.1 0.2 0.3 0.4吸光度 A 0.057 0.095 0.112 0.159通过线形回归得到其方程为: A=0.3330 C +0.0251.4 吸附与洗脱实验在 25 mL 具塞比色管中加入一定量的镉离子 ,用稀盐酸和氨水调节 pH 值,用二次蒸馏水定容至 25 mL,加入经过预处理的纳米二氧化钛 25mg,超声振荡 10 mi
9、n ,静置 30 min 后离心,取上层清液测其吸光度;沉积物用二次蒸馏水充分洗涤后,加入一定量稀硝酸,超声振荡 15 min ,静置 30min 后离心 ,取上层清液测其吸光度,得出镉离子浓度。二 实验过程2.1 pH 值对吸附的影响pH 值对金属离子在金属氧化物上的吸附起着重要作用7。实验考察了不同 pH 值下镉离子在纳米二氧化钛上的吸附率,结果如图。可见,当 pH10 时,镉离子在纳米二氧化钛上的吸附率均99 %。本实验采用 pH=10。 72.2 振荡时间对吸附的影响在 pH=10 ,纳米二氧化钛用量和镉离子浓度固定的条件下,测定了不同振荡时间下的吸附率,结果如图。从图中可以看出,当振
10、荡吸附时间超过 9 min 后吸附率可达 99 %以上。本实验采用9min 振荡时间。2.3 温度对吸附效果的影响在最佳吸附时间条件下 9min，pH=10 ，纳米二氧化钛用量和镉离子浓度固定的条件下,选取溶液于恒温箱中分别设置 20、30、40、50、60，测定结果如图。从图中可以看出,最佳吸附温度均为 50。82.4 饱和吸附容量的测定采用以上适宜条件进行实验,求算出镉离子浓度,按下式计算得饱和吸附容量。通过计算可以得到纳米二氧化钛对镉离子的静态吸附容量为 11.0 m/g。Q = (C0 C) V/m式中: Q 纳米二氧化钛的静态吸附容量;C0:吸附前镉离子的质量浓度, g/mL;C :
11、吸附后镉离子的质量浓度, g/mL;V :体系的体积,mL;m :加入的纳米二氧化钛的质量,g;2.5 二氧化钛的洗脱由 2.1 图可以看出,在 pH 值较低时纳米二氧化钛对镉离子的吸附率很低,故可以用酸来回收吸附镉离子后的纳米二氧化钛。实验考察了不同浓度的硝酸、盐酸、硫酸以及它们的组合溶液的洗脱效果,结果表明硝酸的洗涤效果较好。对硝酸浓度进行考9察结果如图。可见当用 0.1 mol/L 的硝酸洗脱时 ,洗脱率达 95 %以上。三 模拟实体水样中镉离子吸附的设想实际水样中 Na 、K 、Ca 、Mg 、Al 、Mn 、SO 、PO 等离子常大量存在。本实验的后期工作拟分别将不同浓度的各种阳离子和阴离子加入到体系中,模拟实体水样试验,按实验探索的适宜方法测定,考察共存离子对镉离子测定结果的影响。四 结论通过实验,确定了吸附的最佳条件,进一步研究了吸附镉离子后二氧化钛的洗脱以及设想模拟实体水样中痕量镉离子的检测。样品体系在温度 50 度，pH=10, 震荡时间 9 min 以上的条件下,纳米二氧化钛对镉离子的吸附率可达 99 %。吸附在纳米二氧化钛上的镉离子可以用 0.1 mol/L 的硝酸进行洗脱 ,洗脱率在 95 %以上。
