纳米材料在水环境中污染物的吸附研究－－－毕业论文.doc

纳米材料在水环境中污染物的吸附研究学生姓名：学 部： 班 级： 专 业： 指导教师： 【摘要】本文简单介绍了纳米材料的吸附作用并综述了纳米吸附技术在污水处理方面的应用以及在水环境中常见的几大类污染物质和危害，结合实习所学内容进行了纳米材料对多环芳烃和重金属两大部分的实验研究，利用高效液相色谱仪、电感耦合等离子体光谱仪测定纳米材料对其中几种具有代表性物质的吸附程度，记录数据绘制吸附等温曲线图，结果表明纳米材料的吸附效果良好。并对纳米吸附技术的应用进行了展望。关键词：纳米材料；吸附；水环境污染物；多环芳烃；重金属目 录1 绪论 12 纳米技术 12.1 概念 12.2 纳米材料的吸附作用 12.3 纳米材料的吸附能力的开发利用 13 水环境中的常见污染物及危害 23.1 耗氧物质 23.2 水体的富营养化 23.3 油类污染物 23.4 有毒污染物 23.5 固体污染物 34 实验研究 34.1 实验材料 34.1.1 仪器 34.1.2 实验试剂 34.1.3 检测条件 34.2 实验原理 34.3 实验方法 44.3.1 纳米铁粉、纳米铜粉、纳米氧化硅对菲的吸附等温实验 44.3.2 浓度纳米氧化硅吸附cu、pb、cd等温实验 44.4 结果与讨论 44.4.1 纳米铁粉、纳米铜粉、纳米氧化硅对菲的吸附等温曲线 44.4.2 纳米二氧化钛吸附cu、pb、cd等温曲线 65 结语 76 结论 7参考文献 81 绪论据估计，现在纳米材料的市场拥有率在300到450亿美元。尽管这些估算不能明确反映了技术商业化的形成，但毫无疑问的是一定比例的纳米化学工业所成功交易的材料产品必将最终寻找它们进入环境的通道。纳米材料的商业应用已经涉及了许多我们普通的消费产品，例如用于遮光剂和油漆的工业纳米二氧化钛，轮胎的碳纳米管添加剂，作为固体润滑剂的纳米硅颗粒，洗发水、洗涤剂和防汗剂里的纳米氧化铝颗粒。出于修复污染物目的，地下水中已经检测出了纳米颗粒。2 纳米技术2.1 概念纳米技术是20世纪80年代迅速发展起来的一门交叉性综合学科它是指在01100纳米尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工的科学技术包括纳米材料和纳米结构两部分。纳米材料又称为超微颗粒材料， 由纳米粒子组成。纳米粒子的表面效应、小尺寸效应和量子尺寸效应影响物质的结构和性质。当人们将宏观物体粉碎成超微颗粒并制成纳米材料它将在热学、力学、光学、电学、磁学的物理性质和化学性质上与普通材料存在很大区别具有吸收辐射、吸附、催化等新性质。发展纳米技术已成为世界性的重大科学技术活动。2.2 纳米材料的吸附作用吸附是气体吸附质在固体吸附剂表面发生的行为 其发生的过程与吸附剂固体表面特征密切相关。对于纳米粒子的吸附机理目前普遍认为：纳米粒子的吸附作用主要是由于纳米粒子的表面羟基作用。纳米粒子表面存在的羟基能够和某些阳离子键合从而达到表观上对金属离子或有机物产生吸附作用；另外，纳米离子具有大的比表面积，也是纳米粒子吸附作用的重要原因。一种良好的吸附剂，必须满足比表面积大。内部具有网络结构的微孔通道，吸附容量大等条件。而颗粒的比表面积与颗粒的直径成反比。粒子直径减小到纳米级，会引起比表面积的迅速增加。当粒径为10nm时，比表面积为90m-g；粒径为5nm时。比表面积为180m2g；粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450m7g日。由于纳米粒子具有高的比表面积，使它具有优越的吸附性能，在制备高性能吸附剂方面表现出巨大的潜力提供了在环境治理方面应用的可能性。2.3 纳米材料吸附能力的开发利用纳米材料的基本构成决定了它超强（10倍以上）的吸附能力，污水中通常含有有毒有害物质，悬浮物,泥沙，铁锈，异味污染物，细菌，病毒等。污水治理就将这些物质从水中去除，由于传统的水处理方法效率低，成本高，存在二次污染等问题，污水治理一直得不到很好解决。纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题，污水中的贵金属对人体极其有害的物质，但从污水中流失也是资源的浪费，新的一种纳米技术可将污水中的贵金属如金，钌，钯，铂能完全提炼出来，变废为宝。此外纳米tio具有巨大的比表面积，与废水中有机物更充分地接触，可将有机物最大限度地吸附在它的表面，具有更强的紫外光吸收能力，因而有更强的光催化降解能力，可快速将吸附在其表面的有机物分解，用纳米tio光催化处理含有有机物的废水被认为是最有效的手段之一。3 水环境中的常见污染物及危害3.1耗氧物质水中溶解的氧通常为510mg/l以维持鱼和水生生物的正常生活和繁殖，在生活污水中许多有机物如蛋白质，脂肪，纤维素等，分解为co2和h2o过程中需要氧气这势必会影响鱼类的正常生存，在实际工作中常用生化需氧量bod来表示有机污染物在分解过程中所需要的氧量bod指标愈高，表示水中有机污染物主要来自于生活污水和工业污水3.2水体的富营养化在工业废水和生活污水中还有丰富的含n，p的有机物以及含磷洗涤剂，进入水中如果过量，就会成功为水中微生物和藻类的理想“食料”大大促使它们繁殖生长，结果导致水中缺氧，鱼类死亡，死亡的水生生物腐烂，又增添了营养成分，更进一步促进浮游生物和藻类的大量的繁殖形成恶性循环，甚至可发生“红潮”或“蓝藻”。3.3油类污染物主要来自于含油废水中，当水体含油量大0.01mg/l可使鱼肉内带有一种特殊的油腻气味儿不能食用，它对水层造成与大气隔绝。破坏了正常的充氧条件，导致水体缺氧，鱼类死亡，致畸致突变，不仅影响海生生物的生长，降低海洋的自我净化能力，而且影响海滨环境。3.4有毒污染物废水中的有毒污染物主要指无机化学毒物，有机化学毒物和放射性物质。无机化学毒物主要指重金属及其化合物，大多数重金属离子及其化合物易于被水中悬浮颗粒所吸附，而沉淀于水底的沉积层中长期污染水体，某些重金属及其化合物在鱼类及水生生物体内以及农作物组织内沉积，富集而造成危害，人通过饮用或食物链作用，是重金属在体内累积富集而中毒，甚至导致死亡，有机化学毒物主要是指酚、苯、硝基物、有机农药、多氯联苯、多环芳烃、合成洗涤剂等。这些物质通过自身衰变可能放射出、等射线使人患贫血，恶性肿瘤等疾病。3.5固体污染物水中的固体污染物主要是悬浮状态，胶体状态和溶解状态形态存在的，一般造成水体外观恶化，改变水颜色影响水生生物和渔业生产以及农田灌溉，燥症土壤坂结不利于农作物生长等。以上是水环境中我们常见的污染物，针对这些污染物我们可以运用纳米技术来去除环境污染物，包括对有机污染物（多环芳烃，氯苯）重金属离子（cu、zn、cd、pb）有毒阴离子（f、as、clo4）等吸附作用，以及其他工业纳米材料tio、zno、纳米fe粉及纳米cu粉等对含氯有机污染物的去除。而在我实习这段期间主要研究的是纳米材料对多环芳烃和重金属这两大部分进行了试验测定。4实验研究4.1实验材料4.1.1仪器agilent 高效液相色谱仪(hplc)、电感耦合等离子体光谱仪（icp-oes）、电子精密天平、高速离心机、控温摇床、1000ml容量瓶、100微升移液枪、25ml移液管、10ml移液管、35ml玻璃离心管、40ml塑料离心管、10ml刻度管。4.1.2实验试剂纳米铁粉（50-60nm）、纳米铜粉（50nm）、纳米氧化硅（20nm）、纳米二氧化钛（35nm）色谱纯甲醇、异丙醇、超纯水、铜离子标准溶液、铅离子标准溶液、镉离子标准溶液、菲标准品 、硝酸钠、分析纯硝酸钠、优级纯硝酸 4.1.3检测条件菲的测定采用高效液相色谱仪测定，流动相为甲醇：水 = 90：10，流速1ml/min，检测波长为247nm，进样250bar。铜、铅、镉的测定采用电感耦合等离子体光谱仪测定，事先用铜、铅、镉标准溶液配制成已知的不同浓度梯度的铜离子溶液作为测定时的标准工作曲线。4.2实验原理高效液相色谱是一种以流动相为液体，采用高压泵、高效固定相和高灵敏度检测器的色谱新技术，具有分析速度快，分离效率高和操作自动化等优点。可用于测定高沸点、热稳定性差、分子量大（400）的有机物质，如多环芳烃、农药、苯并芘、有机汞、酚类、多氯联苯等。色谱法的分离原理是：溶于流动相中的各组分经过固定相时，由于与固定相发生作用（吸附、分配、离子吸引、排阻、亲和）的大小、强弱不同，在固定相中滞留时间不同，从而先后从固定相中流出。又称为色层法、层析法。使用固体吸附剂，被分离组分在色谱柱上分离原理是根据固定相对组分吸附力大小不同而分离。分离过程是一个吸附解吸附的平衡过程。常用的吸附剂为硅胶或氧化铝，粒度510m。 电感耦合等离子体发射光谱仪，简称icp-oes。其高频电能通过感应线圈耦合到等离子炬得到外观上类似火炬的高频高温放点光源icp，待测样品溶液进入等离子炬后，高温将其溶胶中的元素电力激发，由于不同元素有不同的能级结构因而发射出各自的特征谱线，根据浦县强度与浓度的函数管子谱线强度信息可以转换为电信号进行测量，从而进行各种元素的定性、定量及半定量的分析。4.3实验方法4.3.1纳米铁粉、纳米铜粉、纳米氧化硅对菲的吸附等温实验在一组实验中，称取一定量的纳米颗粒（纳米铁粉和铜粉称0.2克，纳米氧化硅称0.25克）于35ml 玻璃离心管内，加入35ml 0.01m浓度的硝酸钠，然后用移液枪加入一定量事先配好的高浓度的菲标准溶液，使得玻璃管内具有不同的菲的起始浓度（菲的起始浓度为5ppm-800ppm）, 每个浓度点设置2个平行，用铝箔密封并盖上盖子,放入20控温摇床振摇（100rpm）24小时后取出，离心后测定上清夜中菲的浓度（平衡浓度）。由起始浓度和平衡浓度之差计算纳米颗粒对菲的吸附量，并用吸附量对平衡浓度作图，得到不同纳米颗粒对菲吸附的等温线。吸附量的计算公式如下：吸附量 = （起始浓度 - 平衡浓度）*溶液体积/称取的纳米颗粒质量4.3.2 浓度纳米氧化硅吸附cu、pb、cd等温实验在一组实验中，称取一定量的纳米颗粒（纳米氧化钛称0.05克）于20ml 玻璃离心管内，加入20ml 0.01m浓度的硝酸钠，然后用移液枪加入一定量事先配好的高浓度的铜离子、铅离子、镉离子标准溶液，使得玻璃管内具有不同的：铜的起始浓度（铜的起始浓度为2ppm-60ppm）、铅的起始浓度（铅的起始浓度为30ppm-100ppm）、镉的起始浓度（镉的起始浓度为2ppm-50ppm）, 每个浓度点设置2个平行，盖上盖子,放入20控温摇床振摇（100rpm）24小时后取出,第一遍离心各提取15ml上清液和再各加入15ml的0.01mnano3溶液和一滴硝酸。第二次离心后将样品分别以去各3ml于10ml的刻度观中测定上清液中铜、铅、镉的浓度（平衡浓度）由起始浓度和平衡由起始浓度和平衡浓度之差计算纳米氧化钛对其重金属的吸附量，并用吸附量对平衡浓度作图，得到不同纳米颗粒对菲吸附的等温线。吸附量的计算公式如下：吸附量 = （起始浓度 - 平衡浓度）*溶液体积/称取的纳米颗粒质量4.4结果与讨论4.4.1纳米铁粉、纳米铜粉、纳米氧化硅对菲的吸附等温曲线试验了纳米铁粉、纳米铜粉、纳米氧化硅在20下对菲吸附随浓度变化的规律，结果如图1所示。从图中可以看出，纳米氧化硅对菲的吸附量在最低其次是纳米铜粉，最高的为纳米铁粉，当吸附浓度接近于0.6mg/l时纳米铁粉对菲的吸附基本达到平衡，纳米铜粉和纳米氧化硅吸附浓度基本接近。图1 纳米铁粉、纳米铜粉以及纳米氧化硅颗粒吸附菲等温曲线4.4.2纳米二氧化钛吸附cu、pb、cd等温曲线试验了纳米二氧化钛在20下对不同重金属（cu、pb、cd）吸附随浓度变化的规律，结果如图2所示。从图中可以看出，纳米二氧化钛对pb的吸附量最大，对于cu和cd的吸附量基本一样，当吸附平衡浓度接近于2mg/l时纳米二氧化钛对cu和cd的吸附基本达到平衡，吸附达到饱和状态。pb的吸附平衡浓度在9mg/l左右接近平衡状态。 图2纳米二氧化钛颗粒吸附重金属（cu、pb、cd）等温曲线5 结论纳米铁粉、纳米铜粉、纳米氧化硅在20下对菲吸附随浓度变化的为纳米氧化硅对菲的吸附量在最低其次是纳米铜粉，最高的为纳米铁粉，从吸附平衡常数来看，三种纳米颗粒对菲的吸附能力大小顺序是：纳米铁粉 纳米铜粉 纳米二氧化硅。纳米二氧化钛在20下对不同重金属（cu、