MWCNTs的不同改性方法对吸附金属离子的影响.doc

I MWCNTs 的不同改性法对吸附金属离子的影响 摘 要 近年来 随着社会的工业发展 有毒重金属对环境的污染严重威 胁着人类的身体健康 因此 废水处理逐步成为全球性的问题 碳纳 米管的特殊结构决定了它特殊的物理化学性质 其性质主要表现为特 殊的电学 机械性质和优良的吸附性能 作为一种新型吸附剂 它优 异的吸附性能受到人们很大的关注 本论文综合分析整理了MWCNTs 的不同改性法对吸附金属离子的影响 同时系统论述了国内外关于金 属离子废水处理方法的研究进展 结合多方面因素 运用混酸 浓硝 酸两种不同的酸改性方法分别对同一金属离子进行吸附 然后采用单 一数实验方法进行实验 再根据正交试验的结果分析 确定吸附的最 佳工艺参数 得出结论如下 1 两种不同的酸改性方法相比较 混酸改性 MWCNTs 对吸附金 属离的影响较大 而且吸附率也最高 2 正交试验结果表明 不同因素对 Pb2 吸附量的影响也不同 从 大到小依次为 吸附剂的投入量 pH 时间 温度 其中吸附剂的投 入量影响最为显著 关键词 MWCNTs 重金属 酸改性 吸附 II The Influence of Different Modified Method to MWCNTs for Adsorption the Same Kind of Metal Abstract In recent years with the development of the society industrial The heavy toxic metals pollution of the environment Serious threat to the human s health Therefore waste water treatment has gradually become a global problem The special structure of MWCNTs decided it special physical and chemical properties it main performance for special electrical mechanical properties and excellent adsorption performance As a new type of adsorbing material It s excellent adsorption performance get the people s lots of attention This paper Comprehensive analyzed the influence of different modified method to MWCNTs for adsorption The same kind of metal And were discussed on the metal ions wastewater treatment method research progress at home and abroad combine the various factors using mixed acid Nitric acid two different acid modification methods to adsorption the same metal ions And then used a single number experiment then using the orthogonal analysis of the experiment results to determine the optimum parameters of adsorption reach a conclusion is as follows 1 compared with Two different modification methods of acid mixed acid modification of MWCNTs have larger influence of adsorbing metal and adsorption rate is the highest 2 The orthogonal experiment results show that different factors also have different influences on the Pb2 adsorption from large to small as follows the Addition amount of adsorbent PH time temperature among which the Addition amount of adsorbent has the most significant influence Key words MWCNTs Heavy Metal Acid Modified Adsorption i 目 录 引言引言 1 第一章关于国内外废水中金属离子的处理方法第一章关于国内外废水中金属离子的处理方法 2 1 1 重金属废水的处理方法和研究现状 2 1 1 1 化学沉淀法 2 1 1 2 物理处理法 3 1 1 3 生物处理法 3 1 2MWCNTs 的不同改性方法 4 1 2 1 超声波改性法 4 1 2 3 非共价改性法 5 1 3 金属离子含量的测定方法 5 1 3 1 原子吸收光谱法 5 1 3 2 络合滴定法 5 1 3 3 质谱法 5 第二章实验研究的目的意义及方案设计第二章实验研究的目的意义及方案设计 6 2 1 研究的目的意义 6 2 2 研究的内容 6 2 3 研究目标 6 2 4 实验仪器与药品 6 2 5 实验方法及过程 7 2 5 3 含铅废水的配制 7 2 5 4 浓硝酸改性后的 MWCNTs 对吸附 Pb2 的影响 7 2 5 5 混酸改性后的 MWCNTs 对吸附 Pb2 的影响 7 ii 2 5 6 单一数实验设计 8 2 5 7 正交实验设计 8 2 5 8 仪器测定条件 9 第三章实验结果与讨论第三章实验结果与讨论 10 3 1 计算公式 10 3 2 标准曲线的绘制 10 3 3 标准溶液浓度和相应的吸光度值 10 3 4 浓硝酸和混酸改性后的 MWCNTs 对吸附 Pb2 的影响 11 3 5 单一数实验结果与分析 12 3 5 1 时间对吸附的影响 12 3 5 2 反应温度对吸附率的影响 13 3 5 3 溶液 pH 对吸附率的影响 14 3 5 4 吸附剂投加量对铅离子吸附率的影响 15 3 6 正交实验结果与分析 16 3 8MWCNTs 吸附 Pb2 的最佳条件 17 第四章总结第四章总结 18 4 1 结论 18 4 2 未来展望 18 参考文献参考文献 19 致谢致谢 20 1 引言 碳纳米管具有特殊的结构 这就决定了它的物理化学性质 主要的表现是其特 殊的机械性质 电学和优良的吸附性能 它作为一种新型的吸附剂 其优异的吸附 性能受到人们非常大关注 常规的碳基吸附剂主要是受本身尺寸 结合键活化能 表面活性位点密度等因素的影响 吸附速度较慢 穿孔能力较弱 碳纳米管有很大 的优势 这些优势表现为的较大的比表面积 孔径分布可控等 克服了常规材料固 有的限制 碳纳米管对各种农药 多环芳烃 除草剂 有机污染物还有 Pb2 Cd2 Fe2 Cu2 Ni2 Zn2 等重金属离子都有优良的吸附性能 1 随着人 们对吸附机理越来越多的理解 可以根据目标化合物的特性来对碳纳米管的表面特 性进行改性优化 从而提高对于特定污染物的吸附率 自 1991 年碳纳米管问世以来 其独特的结构 电学 优异的力学和优良的储 氢性能而受到很大的关注 基于多壁碳纳米管要比单壁碳纳米管制备简单 易大规 模的工业化生产 目前对它的研究更加受到研究者的钟爱 然而因为 MWCNTs 表 面能高 很容易发生缠绕和团聚 不能够溶于一般的有机溶剂和水 其应用受到限 制 MWCNTs 的氧化处理已经有很多的文献报道 但却较少有对不同氧化体系的 处理效果展开较细致的研究 使碳纳米管在溶液中很好的分散有很多的方法 然而 液相氧化法是最好的一种方法 重要的是简单 容易实现 因此 本研究选择最常 见的 H2SO4 HNO3 体积比 3 1 和浓硝酸对碳纳米管分别进行改性 2 实验证明 对 于改性后的碳纳米管吸附废水中的金属离子 用混酸对碳纳米管进行处理比用浓硝 酸更有效 本实验着重研究混酸改性碳纳米管使其对 Pb2 进行吸附 研究其对 Pb2 的最佳吸附条件 为 MWCNTs 处理废水中的 Pb2 提供一定的理论实验依据 2 第一章第一章 关于国内外废水中金属离子的处理方法 1 1 重金属废水的处理方法和研究现状重金属废水的处理方法和研究现状 目前 重金属废水处理的方法可以大致分成三大类 3 1 化学沉淀法 包含 硫化物沉淀法 中和沉淀法 化学还原法 铁氧体沉淀法 高分子法和电化学法 2 物理处理法 包含离子交换法 吸附法 膜分离法 萃取法 凝固法和蒸发等 3 生物处理法 包含生物絮凝法 植物修复法和生物化学法 1 1 1 化学沉淀法化学沉淀法 沉淀法是通过一定的化学反应使得重金属离子变成不溶性物质从而沉淀分离出来 1 中和沉淀法 在含有重金属废水中加碱后进行的中和反应 使得重金属生成氢氧化物沉淀而 进一步分离 这种方法操作起来简单方便 但只是单纯地将污染物转移 容易造成 二次污染 2 硫化物沉淀法 在废水中加入硫化物 使得重金属离子生成沉淀硫化物而析出 相对于氢氧化 物法不仅可以大幅度地减少矿泥产生 还可用干冶炼法回收有价物 4 与中和沉淀 法相比来说 重金属硫化物的溶解度小于氢氧化物 沉渣含水量较低 不易返溶从 而造成污染 但是硫化剂自身有毒 而且价格贵 沉淀物的颗粒小 易形成胶体 3 铁氧体沉淀法 向废水中加入Fe2 使得各种重金属离子形成具有一定磁性的铁氧体晶体沉淀 此方法可以一次性除去废水中的多种重金属离子 形成的沉淀颗粒大 容易分离 而且颗粒不会再溶解 没有二次污染 形成的沉淀是种优良半导体材料 还有一优 点是分离方法简单 但在操作的过程中需加热到60 70 耗能高 反应较慢 操 作时间较长 而处理后盐度高 不能单独地回收有用金属 也不能处理含Hg和络合 物的废水 4 化学还原法 利用重金属多种价态 加入一定量的氧化剂和还原剂 使人们获得所需的重金 属价态 此种方法能够使废水中的重金属离子往更易生成沉淀或是毒性较小的价态 转换 最后再沉淀去除 在实际的操作中要注意使用适当试剂 让生成物低毒或是 无毒 从而避免二次污染 同时需要考虑试剂的广泛来源性和经济性 3 5 电化学处理 废水和电源的正负极相互接触发生氧化还原反应 当对重金属进行废水电解的 时候 废水中的重金属离子在阴极因得到电子而被还原 但是这种方法耗能大 1 1 2 物理处理法物理处理法 1 吸附法 此法是应用多种多孔性的吸附材料来去除废水中重金属离子 是一种很好的处 理废水中重金属离子的方法 2 溶剂萃取法 利用重金属离子在有机相或者水相中溶解度的不同 使重金属浓缩到有机相中 进行分离 但在萃取 5 过程中能源消耗大 3 离子交换法 离子交换法 6 是重金属离子和离子交换剂进行交换 从而达到去除废水中的重 金属离子 此法是一种重要电镀废水治理方法 不仅处理容量大 而且出水水质好 可以回收重金属资源 对环境没有二次污染 但是离子交换剂易发生氧化失效 操 作费用太高 4 膜分离技术 膜分离是利用一种特殊半透膜 在外界的压力作用下 不会改变溶液化学形态 使得溶液中的一种溶剂或溶质渗透出来 来达到分离的目的 1 1 3 生物处理法生物处理法 1 生物絮凝法 生物絮凝法是通过借助微生物或者植物产生的代谢物来进行絮凝沉淀 生物絮 凝剂安优点是安全无毒 不会造成二次污染 在水处理中有非常广泛的应用前景 缺点是不仅生产成本较高 而且活体生物絮凝剂保存也很困难 2 生物化学法 此方法利用有些菌类物质具有的一定氧化还原能力 改变重金属离子的价态 从而来改变重金属离子的化学性质 但是浓度过高或是毒性强的重金属离子会对菌 有一定的影响 使得这种方法有一定局限性 3 植物修复法 植物修复是利用微生物和植物发达的根须来对重金属进行富集 积累以及亲合 4 作用把重金属离子转化成毒性低的物质 1 2 MWCNTs 的不同改性方法的不同改性方法 多壁碳纳米管作为吸附剂有很多的优势 但是由于它的表面惰性和疏水性 这 就影响了活性组分的分散 在一定程度上限制了它的使用 因此对碳纳米管表面进 行改性的研究显得尤为重要 多壁碳纳米管的表面改性可以通过化学与物理两种方 式进行 改性的方法主要包括超声波改性 共价改性非以及共价改性等 1 2 1 超声波改性法超声波改性法 超声波法 7 是种纯物理方法 这种方法处理的碳纳米管以其平衡位置作为中心 做高速振动 纳米颗粒摆脱粒子之间的吸附而彼此分离 阻止溶液中的纳米颗粒团 聚 使碳纳米管和溶液充分的接触 让金属粒子能有机会附着在碳纳米管的表面 超声波对碳纳米管的分散作用可以用于碳纳米管载体催化剂的制备 对活性组分的 沉积有特别的效果 但是超声一旦停止 多壁碳纳米管分散的稳定性就会变差 影 响了催化剂的性能 单独地使用超声波并不能够改变碳纳米管的性质和表面结构 也不能够完成对碳纳米管的改性 1 2 2 共价改性法共价改性法 共价改性法主要是用共用电子对对碳纳米管来进行表面改性 使得多壁碳纳米 管的表面产生畸变 生成含氧基团 从而有利于活性组分的负载 1 酸表面氧化改性 多壁碳纳米管不容易被氧化剂侵蚀 一般的氧化仅仅能起到纯化的作用 但如 果在苛刻的氧化条件下 多壁碳纳米管的表面便可以生成极性含氧基团 使亲水性 大大增加 同时也可以获得高分散的金属粒子 常用的氧化剂为浓硝酸和浓硫酸的 混酸 浓硝酸 浓硫酸和高锰酸钾的混酸等 经过混酸处理后的多壁碳纳米管具有 更规整的几何结构 表面具有亲水性 易和金属前驱体结合 更增大了比表面积 对重金属离子吸附效果更好 2 表面后功能化改性 表面后功能化改性是在碳纳米管的侧壁以及端口进行化学修饰 通过对酸处理 产生的酰氯化 含氧基团进行酰胺化等反应来接上功能基团 此改性方法包括有机 物嫁接反应 酰胺化反应 静电吸附反应和酰氯化反应 5 1 2 3 非共价改性法非共价改性法 非共价改性是表面活性剂和水溶性聚合物等通过一系列的非共价相互作用来对 碳纳米管侧壁进行包裹 将碳纳米管从成簇的管束中分离出来而得到单根的可溶碳 纳米管以实现碳纳米管在溶液中分散 此改性方法包括表面活性剂改性和有机分子 改性 1 3 金属离子含量的测定方法金属离子含量的测定方法 1 3 1 原子吸收光谱法原子吸收光谱法 原子吸收光谱仪是分析化学领域中的一种极其重要分析方法 已经被广泛的应 用于冶金工业 它是利用被测元素的基态原子特征辐射线的吸收程度来进行定量分 析的方法 1 3 2 络合滴定法络合滴定法 以络合反应为基础的滴定分析方法称为络合滴定法 其中 络合剂分可分为有 机滴定剂和无机滴定剂 1 3 3 质谱法质谱法 质谱法 8 是使待测化合物产生气态的离子 再按照质荷比 m z 将离子分离 检测的一种分析方法 检测限可达到 10 15 10 12mol 数量级 6 第二章 实验研究的目的意义及方案设计 2 1 研究的目的意义研究的目的意义 碳纳米管特殊的结构决定了它的物理化学性质 主要表现为特殊的电学 优良 的吸附性能和机械性质 作为一种新型的吸附剂 其优异的吸附性能受到人们很大 的关注 Pb2 是化工生产废水中一种较为常见的重金属离子 利用多壁碳纳米管来 吸附废水中的 Pb2 是一种相对较好的处理方法 但是没有改性的碳纳米管有较高的表面能和很大的范德华力 比较容易发生团 聚从而难在基体中分散 而且表面呈化学惰性 大大阻碍了其性能的发挥 所以 对碳纳米管进行适当改性 提高它对重金属的吸附能力来实现对污水进行处理显得 特别重要 本实验主要研究采用稀硝酸和混酸两种不同酸酸化改性 MWCNTs 后对 吸附 Pb2 的影响 2 2 研究的内容研究的内容 1 混酸和浓硝酸对碳纳米管进行改性 2 改性后的碳纳米管对吸附 Pb2 的影响 2 3 研究目标研究目标 本论文主要研究目标是找到混酸处理碳纳米管后对 Pb2 的最优吸附条件 为处 理废水中的 Pb2 提供理论实验依据 2 4 实验仪器与药品实验仪器与药品 实验仪器 TAS 986原子吸收分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司 电热恒温鼓风干燥箱101 1 龙口市黄城精益电炉厂 玻璃仪器气流烘干器 中外合资深圳天南海北有限公司 低温恒温振荡床 SHA 1 金坛市科析仪器有限公司 恒温加热水浴锅 江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司 PHS 3D 型 PH 计 上海精密科学仪器有限公司雷磁仪器 电子天平 AUY120 Shimaozu Corporation Japan SHZ D 循环水真空泵 山东鄄城华鲁电热仪器有限公司 玻璃仪器 玛瑙研钵 100mL 1000mL 容量瓶 250mL 点量瓶 冷凝管 移液管 烧杯等 7 表表 2 1 使用药品使用药品 名 称分 子 式纯 度产 地 氢氧化钠NaOH 96 0 天津市恒兴化学试剂制造有限公司 硝酸铅Pb NO3 2优级纯天津市东丽区天大化学试剂厂 碳纳米管MWCNTs 97 深圳市纳米港有限公司 浓盐酸HCl 98 5 莱阳经济技术开发区精细化工厂 浓硝酸 HNO3 分析纯莱阳经济技术开发区精细化工厂 浓硫酸H2SO4 分析纯莱阳经济技术开发区精细化工厂 2 5 实验方法实验方法及过程及过程 2 5 1 浓硝酸对浓硝酸对 MWCNTs 的改性的改性 称取 0 4gMWCNTs 加人到 100 0mLHNO3溶液中 在 80 条件下恒温氧化 8 处 理 2h 冷却 抽滤 将改性 MWCNTs 用超纯水洗涤至中性 于 80 真空干燥 4h 研磨得到改性 MWCNTs 储于干燥器 备用 2 5 2 混酸混酸 H2SO4 HNO3 3 1 对对 MWCNTs 进行改性进行改性 称取 0 4gMWCNTs 放入 100 0mL 混酸 体积比为 3 1 的浓硫酸和硝酸 中 80 下油浴 冷凝回流恒温氧化处理 2h 抽滤 将改性 MWCNTs 用超纯水洗涤至 中性 80 真空干燥 4h 研磨后得到改性 MWCNTs 储于干燥器 备用 2 5 3 含铅废水的配制含铅废水的配制 准确称取 1 6g 优级硝酸铅 放入洗干净的小烧杯中 用蒸馏水完全溶解后 转移至 1 0L 容量瓶中 定容至刻线 摇匀待用 该系列溶液使用期限为 10 天之内 2 5 4 浓硝酸改性后的浓硝酸改性后的 MWCNTs 对吸附对吸附 Pb2 的影响的影响 在 25 下 配制初始浓度为 20mg L 的 Pb2 溶液于 100mL 容量瓶中 加入 0 1gMWCNTs 将溶液调至 pH 5 体积 100mL 将容量瓶放入恒温振荡摇床中 振荡 3h 用 0 45um 的滤膜过滤 采用原子吸收光谱仪测定滤液中的 Pb2 的浓度 2 5 5 混酸改性后的混酸改性后的 MWCNTs 对吸附对吸附 Pb2 的影响的影响 在 25 下 配制初始浓度为 20mg L 的 Pb2 溶液于 100mL 容量瓶中 加入 8 0 1gMWCNTs 将溶液调至 pH 5 体积 100mL 将容量瓶放入恒温振荡摇床中 振荡 3h 用 0 45 m 的滤膜过滤 采用原子吸收光谱仪测定滤液中的 Pb2 的浓度 2 5 6 单一数实验设计单一数实验设计 1 时间对吸附 Pb2 的影响 在常温下 配制七份初始浓度为 20mg L 的 Pb2 溶液于七个容量瓶中 编号 1 2 3 4 5 6 7 分别加入 0 1g 改性后的 MWCNTs 将溶液调至 pH 5 体 积 100mL 将以上七个容量瓶转移到点量瓶中放入恒温振荡摇床中 分别振荡 1h 2h 3h 4h 5h 6h 7h 用 0 45 m 的滤膜过滤 采用原子吸收光谱仪测定 滤液中的 Pb2 的浓度 2 pH 值对吸附 Pb2 的影响 在常温下 配制七份初始浓度为 20mg L 的 Pb2 溶液于七个容量瓶 编号 1 2 3 4 5 6 7 分别加入 0 1g 改性后的 MWCNTs 于七个容量瓶中 分别 将溶液调至 PH 3 pH 4 pH 4 5 pH 5 pH 6 pH 7 pH 8 体积为 100mL 将以上七个容量瓶转移到点量瓶中放入恒温振荡摇床中振荡 3h 用 0 45 m 的滤膜过滤 采用原子吸收光谱仪测定滤液中的 Pb2 的浓度 3 MWCNTs 的加入量对吸附 Pb2 的影响 在常温下 配制七份初始浓度为 20mg L 的 Pb2 溶液于七个容量瓶中 编号 1 2 3 4 5 6 7 分别加入 0 025g 0 05g 0 075g 0 1g 0 125g 0 15g 0 2g 改性后的 MWCNTs 将溶液调 至 pH 5 体积 100mL 将以上七个容量瓶转移到点量瓶中放入恒温振荡摇床中振荡 3h 用 0 45 m 的滤膜过滤 采用原子吸收光谱仪测定滤液中的 Pb2 的浓度 4 温度对吸附 Pb2 的影响 在常温下 配制七份初始浓度为 20mg L 的 Pb2 溶液于七个容量瓶中 编号 1 2 3 4 5 6 7 分别加入 0 1g 改性后的 MWCNTs 将溶液调至 pH 5 体 积 100mL 将以上七个容量瓶转移到点量瓶中放入恒温振荡摇床中 温度分别设置 为 15 20 25 30 35 45 55 振荡 3h 用 0 45 m 的滤膜过滤 采用原子吸收光谱仪测定滤液中的 Pb2 的浓度 2 5 7 正交实验设计正交实验设计 考察因素及水平 9 根据以往实验经验 MWCNTs 吸附时间 pH 值 MWCNTs 的加入量 温度 和均对 MWCNTs 对 Pb2 吸附产生一定的影响 9 因此 本试验将 MWCNTs 的改 性时间 pH 值 MWCNTs 的加入量以及温度作为可变因素进行考察 每个因素各 取三个水平 表表 2 2 正交实验设计表正交实验设计表 因素 水平 吸附时间 hpH 值 MWCNTs 加入量 g 温度 1240 0520 2350 125 3460 1530 2 5 8 仪器测定条件仪器测定条件 采用空气 乙炔型火焰进行测定 测定条件 由仪器自动给出 见表 2 3 表表2 3 仪器操作条件仪器操作条件 元素灯电流 mA乙炔流量 mL min 燃烧器高度 mm波长 nm Pb6 09008 0283 3 10 第三章 实验结果与讨论 3 1 计算公式计算公式 Q 吸附率 100 C0 Ce C0 q 吸附量 C0 Ce V m 式中 C0 吸附前Pb2 的初始浓度 mg L Ce 吸附平衡时Pb2 浓度 mg L V 溶液体积 L m 吸附剂质量 mg 3 2 标准曲线的绘制标准曲线的绘制 标准溶液的配制 铅标准溶液配制方法 用微量移液器和吸量管分别移取浓度为 40 g mL 的铅 标准溶液 1 250mL 2 500mL 5 000mL 10 000mL 15 000mL 于五个 100mL 容量 瓶中 用蒸馏水定容 分别得到浓度 mg L 范围为 0 5 1 0 2 0 4 0 6 0 的铅 标准系列溶液 3 3 标准溶液浓度和相应的吸光度值标准溶液浓度和相应的吸光度值 表表 3 1 标准溶液浓度和相应的吸光度值标准溶液浓度和相应的吸光度值 序号浓度 mg L 吸光度 标样 1 标样 2 标样 3 标样 4 标样 5 标样 6 0 0 0 5 1 0 2 0 4 0 6 0 0 000 0 015 0 027 0 043 0 080 0 112 11 0123456 0 00 0 02 0 04 0 06 0 08 0 10 0 12 吸吸光光度度 铅铅离离子子浓浓度度 mg L 图图 3 1 铅的标准曲线铅的标准曲线 表表 3 2 线性方程和相关性系数线性方程和相关性系数 元素线性方程线性相关系数 Pby 0 00521 0 0182x0 99922 3 4 浓硝酸和混酸改性后的浓硝酸和混酸改性后的 MWCNTs 对吸附对吸附 Pb2 的影响的影响 表表 3 3 浓硝酸和混酸改性后的浓硝酸和混酸改性后的 MWCNTs 的的吸附吸附 编号吸附后的 Pb2 浓度 mg L 吸附率 浓硝酸改性 混酸改性 1 014 0 371 0 949 0 982 结果与分析 在 25 下 配制初始浓度为 20mg L 的 Pb2 溶液于 100mL 容量 瓶中 分别加入 0 1g 浓硝酸和混酸改性后的 MWCNTs 将溶液调至 pH 5 体积 100mL 将容量瓶放入恒温振荡摇床中 振荡 3h 用 0 45 m 的滤膜过滤 采用 原子吸收光谱仪测定滤液中的 Pb2 的浓度 由实验数据可知 用混酸对碳纳米管进 行处理比用浓硝酸的吸附效果要好 原因可能是混酸的氧化能力大于浓硝酸 10 混 酸改性后的羧基含量远大于浓硝酸改性的 混酸改性后的 MWCNTs 的平均粒径的 更小 MWCNTs 的团聚能力更低 体系分散的均匀性与稳定性更强 12 3 5 单一数实验结果与分析单一数实验结果与分析 3 5 1 时间对吸附的影响时间对吸附的影响 表表3 4 铅离子浓度和吸光度值铅离子浓度和吸光度值 编号时间 t h 浓度 C mg L 吸光度 Abs吸附率 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 141 0 552 0 379 0 485 0 503 0 597 0 638 0 0232 0 0012 0 0001 0 0009 0 0010 0 0190 0 0021 0 943 0 972 0 981 0 979 0 975 0 970 0 968 02468 0 93 0 94 0 95 0 96 0 97 0 98 0 99 吸附率 时间 h 图图 3 2 反应时间对吸附率的影响反应时间对吸附率的影响 结果与分析 在常温下 100 0mL pH 5 20mg L的Pb2 溶液吸附不同的时间 结果如图3 2所示 混酸处理前后的MWCNTs对Pb2 的吸附率随着时间的增大逐渐 地增大 当反应时间到达3小时时吸附率随着反应时间的增加反倒下降 吸附率减 小应是随着时间的增加MWCNTs表面吸附位点逐渐达到饱和 11 少量的Pb2 能进入 13 MWCNTs管道内部而被吸附 导致吸附率减小 3 5 2 反应温度对吸附率的影响反应温度对吸附率的影响 表表3 5 铅离子浓度和吸光度值铅离子浓度和吸光度值 编号温度浓度 C g mL 吸光度 Abs吸附率 1 2 3 4 5 6 7 15 20 25 30 35 45 55 0 884 0 580 0 520 0 541 0 606 1 042 1 261 0 0085 0 0083 0 0006 0 0006 0 0007 0 0062 0 0105 0 956 0 971 0 974 0 973 0 970 0 948 0 937 102030405060 0 93 0 94 0 95 0 96 0 97 0 98 吸附率 温度 图图 3 3 反应温度对吸附率的影响反应温度对吸附率的影响 结果与分析 100 0mL pH 5 20mg L 的 Pb2 溶液在不同的反应温度下震荡 吸附 3h 由图 3 3 可以看出吸附率随着反应温度的升高呈现先增后减小的趋势 当 温度等于 25 时吸附率达到最大值 分析其原因可能是是温度过高会对改性 14 MWCNTs 的吸附特性产生影响 12 从而出现部分解吸现象 因此得出 25 为 MWCNTs 最佳吸附温度 3 5 3 溶液溶液 pH 对吸附率的影响对吸附率的影响 表表3 6 铅离子浓度和吸光度值铅离子浓度和吸光度值 编号pH 值浓度 C mg L 吸光度 Abs吸附率 1 2 3 4 5 6 7 3 4 4 5 5 6 7 8 1 777 0 641 0 459 0 361 0 686 0 938 0 822 0 0131 0 0007 0 0006 0 0004 0 0042 0 0051 0 0059 0 911 0 968 0 979 0 982 0 966 0 963 0 959 468 0 90 0 92 0 94 0 96 0 98 1 00 吸附率 pH值 图图 3 4 pH 值对吸附率的影响值对吸附率的影响 结果与分析 常温下 100 0mL pH 5 20mg L的Pb2 溶液pH在3 0 8 0范围 内震荡吸附3h 探讨不同PH值对吸附效果的影响 图3 4为酸处理MWCNTs后吸附 Pb2 的量随pH值变化的曲线 由图可知 混酸处理后MWCNTs对Pb2 的吸附量随溶 液PH值的增大先增大后小 原因可能是 随着溶液中PH值的升高 13 一些有机官 15 能团逐步电离H 使MWCNTs表面带的负电荷增加 从而提高了MWCNTs对Pb2 的配位吸附能力 14 实验结果显示 在pH 5时 MWCNTs的吸附量为最大 原因 可能是在该pH条件下MWCNTs表面所携的电荷最多 对吸附带正电的Pb2 离子更 有利 但如果pH过高的话溶液呈胶体状态不容易固液分离 不利于吸附剂的循环 使用 3 5 4 吸附剂投加量对铅离子吸附率的影响吸附剂投加量对铅离子吸附率的影响 表表 3 7 铅标准溶液浓度和吸光度值铅标准溶液浓度和吸光度值 编号吸附剂用量 g 浓度 C mg L 吸光度 Abs 吸附率 1 2 3 4 5 6 7 0 025 0 05 0 075 0 1 0 125 0 15 0 20 1 003 0 559 0 521 0 517 0 518 0 641 0 652 0 0093 0 0006 0 0005 0 0005 0 0006 0 0032 0 0041 0 950 0 972 0 973 0 974 0 974 0 968 0 967 0 000 050 100 150 200 25 0 94 0 95 0 96 0 97 0 98 0 99 吸附率 吸附剂投入量 g 图图 3 5 吸附剂投入量对吸附率的影响吸附剂投入量对吸附率的影响 16 结果与分析 常温下 pH 5 Pb2 初始浓度为 20mg L 吸附剂加入量 0 05 0 15 范围内震荡吸附 3 小时 探讨不同吸附剂加入量对吸附效果的影响 图 3 5 为混酸处理后 MWCNTs 吸附 Pb2 量随吸附剂加入量变化的曲线 由图可以看 出在吸附剂用量 0 1g 时吸附率最大 吸附基本达到饱和值 过量的吸附剂不能够 被充分的利用 产生了空余活性位置 使得吸附率逐渐降低 对吸附剂造成不必要 的浪费 因此得出 0 1g 为 MWCNTs 最佳吸附剂投入量 3 6 正交实验结果与分析正交实验结果与分析 表表 3 8 正交试验结果与分析正交试验结果与分析 因素时间 h 温度 pH 值 吸附剂投 入量 g 吸附后浓 度 mg L 吸附率吸附容量 122540 052 5220 87434 956 223060 10 8220 95919 178 322050 150 6890 96612 870 432560 150 5770 97112 949 533050 050 4940 97539 012 632040 11 7720 91118 228 742550 10 4570 97719 543 843040 151 2010 94012 533 942060 050 6960 96538 608 表 3 8 反映的是通过三水平四因素 时间 温度 pH 吸附剂加入量 九组正 交试验 在不同的吸附条件下 用 0 45 m 的滤膜过滤 采用原子吸收光谱仪测定 滤液中的 Pb2 的浓度 表表 3 9 正交试验的极差分析正交试验的极差分析 Table3 9 Range analysis of orthogonal experiments 时间 h 温度 pH 值 吸附剂投入量 g 167 0069 7165 72112 58 17 270 1967 4571 4356 95 370 6870 7270 7438 35 Ki3333 1 K122 334723 235321 906737 5267 2 K223 396322 482723 808318 9830 3 K323 561323 574323 578312 7840 极差 Rang1 22661 09161 671624 7427 极差分析结果解释如下 15 1 代表水平 1 下的各因素的试验值加和 本课题 中即各个代号的加和 依次类推 Ki 是各个因子的水平数 极差 Rang 反映的是各 个因素对 MWCNTs 吸附 Pb2 的影响大小 根据表 2 5 正交试验的极差分析可以看 出 所选的四个因素影响 MWCNTs 吸附 Pb2 大小的顺序依次为吸附剂投入量 pH 值 时间 温度 其中吸附剂投入量的影响最大 3 83 8 MWCNTs 吸附吸附 Pb2 的最佳条件的最佳条件 通过一系列的正交试验 确定 MWCNTs 吸附 Pb2 的最佳吸附条件为 吸附剂 投入量为 0 1g pH 为 5 时间为 3h 温度为 25 18 第四章 总结 4 14 1 结论结论 1 通过浓 HNO3和混酸两种不同的酸化方法处理 MWCNTs 比较其吸附率 结果 表明用混酸法处理 MWCNTs 对于除去碳纳米管中的杂质效果更好 MWCNTs 对吸附 Pb2 的吸附率更高 可见 混酸法是改性处理 MWCNTs 的最好方法 2 由上面实验结果可以看出 混酸改性后的 MWCNTs 比未改性的 MWCNTs 吸附 率大大提高 而且改性所用试剂简单易得 成本较低 3 利用火焰原子吸收光谱法测定废水中的 Pb2 浓度含量精密度好 准确度高 测 定结果准确 可靠 4 采用正交试验分析不同因素对 MWCNTs 吸附 Pb2 的影响发现 混酸改性 MWCNTs 后吸附 Pb2 的最佳工艺条件为 吸附剂投入量为 0 1g pH 为 5 时 间为 3h 温度为 25 4 24 2 未来展望未来展望 MWCNTs 从 1991 年由日本 NEC 公司 Iijima 发现并且大批量生产以来 因为 其独特 14 的物化性质 在诸多的领域受到广泛关注 比如说高强度碳纤维材料 催 化剂载体 储氢材料等领域的研究已经取得了可喜的成果 但是在环境保护的领域 内 MWCNTs 的应用性研究却刚刚起步 由此可见