納米材料在水環(huán)境中污染物的吸附研究－－－畢業(yè)論文.doc

納米材料在水環(huán)境中污染物的吸附研究學生姓名：學 部： 班 級： 專 業(yè)： 指導教師： 【摘要】本文簡單介紹了納米材料的吸附作用并綜述了納米吸附技術在污水處理方面的應用以及在水環(huán)境中常見的幾大類污染物質和危害，結合實習所學內容進行了納米材料對多環(huán)芳烴和重金屬兩大部分的實驗研究，利用高效液相色譜儀、電感耦合等離子體光譜儀測定納米材料對其中幾種具有代表性物質的吸附程度，記錄數據繪制吸附等溫曲線圖，結果表明納米材料的吸附效果良好。并對納米吸附技術的應用進行了展望。關鍵詞：納米材料；吸附；水環(huán)境污染物；多環(huán)芳烴；重金屬目 錄1 緒論 12 納米技術 12.1 概念 12.2 納米材料的吸附作用 12.3 納米材料的吸附能力的開發(fā)利用 13 水環(huán)境中的常見污染物及危害 23.1 耗氧物質 23.2 水體的富營養(yǎng)化 23.3 油類污染物 23.4 有毒污染物 23.5 固體污染物 34 實驗研究 34.1 實驗材料 34.1.1 儀器 34.1.2 實驗試劑 34.1.3 檢測條件 34.2 實驗原理 34.3 實驗方法 44.3.1 納米鐵粉、納米銅粉、納米氧化硅對菲的吸附等溫實驗 44.3.2 濃度納米氧化硅吸附cu、pb、cd等溫實驗 44.4 結果與討論 44.4.1 納米鐵粉、納米銅粉、納米氧化硅對菲的吸附等溫曲線 44.4.2 納米二氧化鈦吸附cu、pb、cd等溫曲線 65 結語 76 結論 7參考文獻 81 緒論據估計，現在納米材料的市場擁有率在300到450億美元。盡管這些估算不能明確反映了技術商業(yè)化的形成，但毫無疑問的是一定比例的納米化學工業(yè)所成功交易的材料產品必將最終尋找它們進入環(huán)境的通道。納米材料的商業(yè)應用已經涉及了許多我們普通的消費產品，例如用于遮光劑和油漆的工業(yè)納米二氧化鈦，輪胎的碳納米管添加劑，作為固體潤滑劑的納米硅顆粒，洗發(fā)水、洗滌劑和防汗劑里的納米氧化鋁顆粒。出于修復污染物目的，地下水中已經檢測出了納米顆粒。2 納米技術2.1 概念納米技術是20世紀80年代迅速發(fā)展起來的一門交叉性綜合學科它是指在01100納米尺度范圍內對原子、分子進行操縱和加工的科學技術包括納米材料和納米結構兩部分。納米材料又稱為超微顆粒材料， 由納米粒子組成。納米粒子的表面效應、小尺寸效應和量子尺寸效應影響物質的結構和性質。當人們將宏觀物體粉碎成超微顆粒并制成納米材料它將在熱學、力學、光學、電學、磁學的物理性質和化學性質上與普通材料存在很大區(qū)別具有吸收輻射、吸附、催化等新性質。發(fā)展納米技術已成為世界性的重大科學技術活動。2.2 納米材料的吸附作用吸附是氣體吸附質在固體吸附劑表面發(fā)生的行為 其發(fā)生的過程與吸附劑固體表面特征密切相關。對于納米粒子的吸附機理目前普遍認為：納米粒子的吸附作用主要是由于納米粒子的表面羥基作用。納米粒子表面存在的羥基能夠和某些陽離子鍵合從而達到表觀上對金屬離子或有機物產生吸附作用；另外，納米離子具有大的比表面積，也是納米粒子吸附作用的重要原因。一種良好的吸附劑，必須滿足比表面積大。內部具有網絡結構的微孔通道，吸附容量大等條件。而顆粒的比表面積與顆粒的直徑成反比。粒子直徑減小到納米級，會引起比表面積的迅速增加。當粒徑為10nm時，比表面積為90m-g；粒徑為5nm時。比表面積為180m2g；粒徑下降到2nm時，比表面積猛增到450m7g日。由于納米粒子具有高的比表面積，使它具有優(yōu)越的吸附性能，在制備高性能吸附劑方面表現出巨大的潛力提供了在環(huán)境治理方面應用的可能性。2.3 納米材料吸附能力的開發(fā)利用納米材料的基本構成決定了它超強（10倍以上）的吸附能力，污水中通常含有有毒有害物質，懸浮物,泥沙，鐵銹，異味污染物，細菌，病毒等。污水治理就將這些物質從水中去除，由于傳統的水處理方法效率低，成本高，存在二次污染等問題，污水治理一直得不到很好解決。納米技術的發(fā)展和應用很可能徹底解決這一難題，污水中的貴金屬對人體極其有害的物質，但從污水中流失也是資源的浪費，新的一種納米技術可將污水中的貴金屬如金，釕，鈀，鉑能完全提煉出來，變廢為寶。此外納米tio具有巨大的比表面積，與廢水中有機物更充分地接觸，可將有機物最大限度地吸附在它的表面，具有更強的紫外光吸收能力，因而有更強的光催化降解能力，可快速將吸附在其表面的有機物分解，用納米tio光催化處理含有有機物的廢水被認為是最有效的手段之一。3 水環(huán)境中的常見污染物及危害3.1耗氧物質水中溶解的氧通常為510mg/l以維持魚和水生生物的正常生活和繁殖，在生活污水中許多有機物如蛋白質，脂肪，纖維素等，分解為co2和h2o過程中需要氧氣這勢必會影響魚類的正常生存，在實際工作中常用生化需氧量bod來表示有機污染物在分解過程中所需要的氧量bod指標愈高，表示水中有機污染物主要來自于生活污水和工業(yè)污水3.2水體的富營養(yǎng)化在工業(yè)廢水和生活污水中還有豐富的含n，p的有機物以及含磷洗滌劑，進入水中如果過量，就會成功為水中微生物和藻類的理想“食料”大大促使它們繁殖生長，結果導致水中缺氧，魚類死亡，死亡的水生生物腐爛，又增添了營養(yǎng)成分，更進一步促進浮游生物和藻類的大量的繁殖形成惡性循環(huán)，甚至可發(fā)生“紅潮”或“藍藻”。3.3油類污染物主要來自于含油廢水中，當水體含油量大0.01mg/l可使魚肉內帶有一種特殊的油膩氣味兒不能食用，它對水層造成與大氣隔絕。破壞了正常的充氧條件，導致水體缺氧，魚類死亡，致畸致突變，不僅影響海生生物的生長，降低海洋的自我凈化能力，而且影響海濱環(huán)境。3.4有毒污染物廢水中的有毒污染物主要指無機化學毒物，有機化學毒物和放射性物質。無機化學毒物主要指重金屬及其化合物，大多數重金屬離子及其化合物易于被水中懸浮顆粒所吸附，而沉淀于水底的沉積層中長期污染水體，某些重金屬及其化合物在魚類及水生生物體內以及農作物組織內沉積，富集而造成危害，人通過飲用或食物鏈作用，是重金屬在體內累積富集而中毒，甚至導致死亡，有機化學毒物主要是指酚、苯、硝基物、有機農藥、多氯聯苯、多環(huán)芳烴、合成洗滌劑等。這些物質通過自身衰變可能放射出、等射線使人患貧血，惡性腫瘤等疾病。3.5固體污染物水中的固體污染物主要是懸浮狀態(tài)，膠體狀態(tài)和溶解狀態(tài)形態(tài)存在的，一般造成水體外觀惡化，改變水顏色影響水生生物和漁業(yè)生產以及農田灌溉，燥癥土壤坂結不利于農作物生長等。以上是水環(huán)境中我們常見的污染物，針對這些污染物我們可以運用納米技術來去除環(huán)境污染物，包括對有機污染物（多環(huán)芳烴，氯苯）重金屬離子（cu、zn、cd、pb）有毒陰離子（f、as、clo4）等吸附作用，以及其他工業(yè)納米材料tio、zno、納米fe粉及納米cu粉等對含氯有機污染物的去除。而在我實習這段期間主要研究的是納米材料對多環(huán)芳烴和重金屬這兩大部分進行了試驗測定。4實驗研究4.1實驗材料4.1.1儀器agilent 高效液相色譜儀(hplc)、電感耦合等離子體光譜儀（icp-oes）、電子精密天平、高速離心機、控溫搖床、1000ml容量瓶、100微升移液槍、25ml移液管、10ml移液管、35ml玻璃離心管、40ml塑料離心管、10ml刻度管。4.1.2實驗試劑納米鐵粉（50-60nm）、納米銅粉（50nm）、納米氧化硅（20nm）、納米二氧化鈦（35nm）色譜純甲醇、異丙醇、超純水、銅離子標準溶液、鉛離子標準溶液、鎘離子標準溶液、菲標準品 、硝酸鈉、分析純硝酸鈉、優(yōu)級純硝酸 4.1.3檢測條件菲的測定采用高效液相色譜儀測定，流動相為甲醇：水 = 90：10，流速1ml/min，檢測波長為247nm，進樣250bar。銅、鉛、鎘的測定采用電感耦合等離子體光譜儀測定，事先用銅、鉛、鎘標準溶液配制成已知的不同濃度梯度的銅離子溶液作為測定時的標準工作曲線。4.2實驗原理高效液相色譜是一種以流動相為液體，采用高壓泵、高效固定相和高靈敏度檢測器的色譜新技術，具有分析速度快，分離效率高和操作自動化等優(yōu)點?？捎糜跍y定高沸點、熱穩(wěn)定性差、分子量大（400）的有機物質，如多環(huán)芳烴、農藥、苯并芘、有機汞、酚類、多氯聯苯等。色譜法的分離原理是：溶于流動相中的各組分經過固定相時，由于與固定相發(fā)生作用（吸附、分配、離子吸引、排阻、親和）的大小、強弱不同，在固定相中滯留時間不同，從而先后從固定相中流出。又稱為色層法、層析法。使用固體吸附劑，被分離組分在色譜柱上分離原理是根據固定相對組分吸附力大小不同而分離。分離過程是一個吸附解吸附的平衡過程。常用的吸附劑為硅膠或氧化鋁，粒度510m。 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，簡稱icp-oes。其高頻電能通過感應線圈耦合到等離子炬得到外觀上類似火炬的高頻高溫放點光源icp，待測樣品溶液進入等離子炬后，高溫將其溶膠中的元素電力激發(fā)，由于不同元素有不同的能級結構因而發(fā)射出各自的特征譜線，根據浦縣強度與濃度的函數管子譜線強度信息可以轉換為電信號進行測量，從而進行各種元素的定性、定量及半定量的分析。4.3實驗方法4.3.1納米鐵粉、納米銅粉、納米氧化硅對菲的吸附等溫實驗在一組實驗中，稱取一定量的納米顆粒（納米鐵粉和銅粉稱0.2克，納米氧化硅稱0.25克）于35ml 玻璃離心管內，加入35ml 0.01m濃度的硝酸鈉，然后用移液槍加入一定量事先配好的高濃度的菲標準溶液，使得玻璃管內具有不同的菲的起始濃度（菲的起始濃度為5ppm-800ppm）, 每個濃度點設置2個平行，用鋁箔密封并蓋上蓋子,放入20控溫搖床振搖（100rpm）24小時后取出，離心后測定上清夜中菲的濃度（平衡濃度）。由起始濃度和平衡濃度之差計算納米顆粒對菲的吸附量，并用吸附量對平衡濃度作圖，得到不同納米顆粒對菲吸附的等溫線。吸附量的計算公式如下：吸附量 = （起始濃度 - 平衡濃度）*溶液體積/稱取的納米顆粒質量4.3.2 濃度納米氧化硅吸附cu、pb、cd等溫實驗在一組實驗中，稱取一定量的納米顆粒（納米氧化鈦稱0.05克）于20ml 玻璃離心管內，加入20ml 0.01m濃度的硝酸鈉，然后用移液槍加入一定量事先配好的高濃度的銅離子、鉛離子、鎘離子標準溶液，使得玻璃管內具有不同的：銅的起始濃度（銅的起始濃度為2ppm-60ppm）、鉛的起始濃度（鉛的起始濃度為30ppm-100ppm）、鎘的起始濃度（鎘的起始濃度為2ppm-50ppm）, 每個濃度點設置2個平行，蓋上蓋子,放入20控溫搖床振搖（100rpm）24小時后取出,第一遍離心各提取15ml上清液和再各加入15ml的0.01mnano3溶液和一滴硝酸。第二次離心后將樣品分別以去各3ml于10ml的刻度觀中測定上清液中銅、鉛、鎘的濃度（平衡濃度）由起始濃度和平衡由起始濃度和平衡濃度之差計算納米氧化鈦對其重金屬的吸附量，并用吸附量對平衡濃度作圖，得到不同納米顆粒對菲吸附的等溫線。吸附量的計算公式如下：吸附量 = （起始濃度 - 平衡濃度）*溶液體積/稱取的納米顆粒質量4.4結果與討論4.4.1納米鐵粉、納米銅粉、納米氧化硅對菲的吸附等溫曲線試驗了納米鐵粉、納米銅粉、納米氧化硅在20下對菲吸附隨濃度變化的規(guī)律，結果如圖1所示。從圖中可以看出，納米氧化硅對菲的吸附量在最低其次是納米銅粉，最高的為納米鐵粉，當吸附濃度接近于0.6mg/l時納米鐵粉對菲的吸附基本達到平衡，納米銅粉和納米氧化硅吸附濃度基本接近。圖1 納米鐵粉、納米銅粉以及納米氧化硅顆粒吸附菲等溫曲線4.4.2納米二氧化鈦吸附cu、pb、cd等溫曲線試驗了納米二氧化鈦在20下對不同重金屬（cu、pb、cd）吸附隨濃度變化的規(guī)律，結果如圖2所示。從圖中可以看出，納米二氧化鈦對pb的吸附量最大，對于cu和cd的吸附量基本一樣，當吸附平衡濃度接近于2mg/l時納米二氧化鈦對cu和cd的吸附基本達到平衡，吸附達到飽和狀態(tài)。pb的吸附平衡濃度在9mg/l左右接近平衡狀態(tài)。 圖2納米二氧化鈦顆粒吸附重金屬（cu、pb、cd）等溫曲線5 結論納米鐵粉、納米銅粉、納米氧化硅在20下對菲吸附隨濃度變化的為納米氧化硅對菲的吸附量在最低其次是納米銅粉，最高的為納米鐵粉，從吸附平衡常數來看，三種納米顆粒對菲的吸附能力大小順序是：納米鐵粉 納米銅粉 納米二氧化硅。納米二氧化鈦在20下對不同重金屬（cu、