毕业论文《ZnO粉体制备、烧结和吸附性能研究》

1、zno粉体制备.烧结和吸附性能研究中文摘要h前，重金属水污染问题h益严重。寻求无毒和低成本的重金加离子脱除剂 对严重的水污染治理尤为重要。众所周知，氧化锌（zno） -种难溶于水的无机 无毒物质，已在塑料、涂料和气敏器件等方面得到了广泛的应用。然而，有关 zno在污水中重金属离子的脱除方面研究和报道较少。木文首先釆用直接沉淀 燉烧法制备出了 zno粉体；接着，制备出了 zno烧结体；最后，对比研究了两 种形态和结构的zno材料对水屮高浓度的cif+的吸附特性。取得的主耍结论如 下：1、多孔性zno粉体能快速吸附水中cu2+o吸附量freundlich模型，即cu2+ 在zno粉体上的吸附为多层

2、吸附机理。2、zno粉体与cu?+在水屮的相互作用比较复杂，初步认为是水小的cu2+ 与zno表而的oh发生化学配位作用。这种配位作用时间短，作用力强。3、zno烧结陶瓷对水屮ci严也有很强的吸附作用，但和zno粉体相比，其 吸附时间长。饱和吸附量与烧结体的致密度关系不人。4、zno烧结体对c0的吸附机理离子扩散机制：即c0通过扩散形式从水 中进入到zno晶格间隙中。而有关这部分内容还有待进一步深入研究。关键词：zno粉体；微结构；烧结；吸附fabrication and absorption properties of powdery and sintered znoabstractrece

3、ntly, heavy metal pollution has become a serious problem. it is particularly important for control of serious water pollution that searching for non-toxic and low cost of heavy metal ions removal agent as everyone knows, zinc oxide, a water-insoluble inorganic non-toxic substances, has been widely u

4、sed in the plastics, coatings and the gas sensing device and other aspects. however, the zno in the removal of heavy metal ions in waste water research and reported less. however,the researches and reports about zno removal of heavy metal ions in the wastewater. firstly, vs prepared zno by direct pr

5、ecipitation - calcined powdenthen, preparation of zno sintered body.finally, comparative study of two kinds of morphology and structure of zno materials on high concentrations of cu2+ adsorption characteristics. the main conclusions are as follows:1、porous zno powder can rapid adsorption of cu2+.ads

6、orption quantity freundlich model, that is zno powder on cu" adsorption is multilayer adsorption.2、zno powder is interaction complex with cu2+ in water,it9s preliminary think that cu2+ in water produces chemical complexation with oh" on surface of zno. the complexing reaction is short and

7、powerful3、zno sintered ceramics has the very strong adsorption on cu2+ in water.but,compared to zno powder： the time of adsorption is longer.relationship between saturated adsorption amount and sintered density is little.4、the mechanism of zno sintering body adsorbents cu2+,ion diffusion mechanism:c

8、u2 “ removes from the water into zno gaps in the grid by diffusion. however, this part of the contents to be further in-depth study.keywords： zno powder, microstructure, sinter, adsorption第1章绪论41.1 zno结构与性能41zno的结构41.2纳米zno的性能表征51.3纳米zno的表面改性51.4纳米zno力学性能61.5纳米zno的吸附性能61.2 zno 制备71.2.1化学沉淀法71.2.2水热合

9、成法81.2.3喷雾热分解法91.3 zno 应用91.4木文研究内容与意义11第2章zno粉体的制备及其对cu"的吸附122zno粉体制备122.1.2方案设计122.1.3实验流程图132.1.4实验原料132.1.5实验仪器132.2 zno粉体表征132.3 zno粉体吸附性能142.4木章小结17第3章zno多孔陶瓷制备及其吸附特性183.1 zno粉体成形183.2 zno粉体烧结193.3 zno烧结体形态与结构193.4 zno烧结体对cu"的吸附特性203.5 zno烧结体吸附cu"的机理213.6本章小结22第4章全文总结与展望23参考文献24

10、第1章绪论1.1 zno结构与性能氧化锌（zno）,俗称锌白，是锌的一种氧化物。难溶于水，可溶于酸和强 碱。氧化锌是一种常用的化学添加剂，广泛地应用于塑料、硅酸盐制品、合 成橡胶、润滑油、油漆涂料、药膏、粘合剂、电池、阻燃剂等产品 的制作中。氧化锌的能带隙和激子束缚能较人，透明度高，有优界的常温发光性 能，在半导体领域的液晶显示器0、薄膜晶体管小、发光二极管等产品中均 有应用。与传统氧化锌产品相比，其比表面积人、化学活性高，产品细度、化学 纯度和粒子形状可以根据需要进行调整，并且具有光化学效应和较好的遮蔽紫外 线性能，其紫外线遮蔽率高达98%；同时，它还具有抗菌抑菌、祛味防酶等-系 列独特性能

11、。此外，微颗粒的氧化锌作为一种纳米材料也开始在相关领域发挥作 用。1.1.1 zno的结构氧化锌晶体有三种结构：六边纤锌矿结构、立方闪锌矿结构，以及比较罕见 的氯化钠式八面体结构。纤锌矿结构在三者中稳定性最高，因而最常见。立方闪 锌矿结构可由逐渐在表面生成氧化锌的方式获得。在两种晶体中，每个锌或氧原 子都与相邻原子组成以其为中心的正四面体结构。八面体结构则只曾在100亿 帕斯卡的高压条件下被观察到。六边纤¥甸结构立方闪锌矿结构图1-1氧化锌晶体的两种常见结构纤锌矿结构、闪锌矿结构有中心对称性，但都没有轴对称性。晶体的对称性质使得纤锌矿结构具有压电效应和焦热点效应，闪锌矿结构具有压电效

12、应。纤锌矿结构的点群为6 mm （国际符号表示），空间群是p63 mco晶格常量中,a = 3.25埃，c = 5.2埃;c/a比率约为1.60,接近1.633的理想六边形比例。在半导体材料中，锌、氧多以离子键结合，是其压电性高的原因z-o1.1.2纳米zno的性能表征纳米级氧化锌的突出特点在于产品粒子为纳米级，同时具有纳米材料和传统 氧化锌的双重特性。与传统氧化锌产品相比，其比表面积大、化学活性高，产品 细度、化学纯度和粒子形状可以根据需要进行调整，并且具有光化学效应和较好 的遮蔽紫外线性能，其紫外线遮蔽率高达98%；同时，它还具有抗菌抑菌、祛味 防酶等一系列独特性能。清华大学分析测试屮心u

13、引用透射电镜对产品进行了分析，纳米氧化锌粒子为 球形，粒径分布均匀，平均粒径2030纳米，所有粒子的粒径均在50纳米以下。 经st-a表面和孔径测定仪测试，纳米氧化锌粉体的bet比表面积在35 m2/g以 上。此外，通过调整制备工艺参数，还可以生产出棒状纳米氧化锌。本产品经中 国科学院微生物研究所检测鉴定，结果表明，在丰富细菌培养基中，加入 0.5 %1 %的纳米氧化锌，可有效抑制大肠杆菌的生长，抑菌率达99.9%以上。1.1.3纳米zno的表面改性由于纳米氧化锌具有比表面积大和比表面能大等特点，自身易团聚；另一方 面，纳米氧化锌表面极性较强，在有机介质中不易均匀分散，这就极大地限制了 其纳米

14、效应的发挥。因此对纳米氧化锌粉体进行分散和表面改性成为纳米材料在 基体屮应用前必要的处理手段。所谓纳米分散i是指采用齐种原理、方法和手段在特定的液体介质（如水） 中，将干燥纳米粒了构成的各种形态的团聚体还原成一次粒了并使其稳定、均匀 分布于介质中的技术。纳米粉体的表面改性则是在纳米分散技术基础上的扩展和 延伸，即根据应用场合的需要，在已分散的纳米粒子表面包覆一层适当物质的薄 膜或使纳米粒子分散在某种可溶性固相载体中。经过表面改性的纳米干粉体，其 吸附、润湿、分散等一系列表面性质都会发生变化，一般可以白动或极易分散在 特定的介质中，因此使用非常方便。一般來讲，纳米粒了的改性方法有三种：1. 在粒

15、子表面均匀包覆一层其他物质的膜，从而使粒子表面性质发生变化；2.利 用电荷转移络合体（如硅烷、钛酸酯等偶联剂以及硬脂酸、有机硅等）作表面改 性剂对纳米粒子表面进行化学吸附或化学反应；3.利用电晕放电、紫外线、等 离子、放射线等高能量手段对纳米粒子表面进行改性。根据不同应用领域的要求，选择适当的表面改性剂或表面改性工艺，对纳米 氧化锌进行表血改性，改善其表面性能，增加纳米颗粒与基体之间的相容性，从 而应用于齐种领域，提高产品的性能技术指标。1.1.4纳米zno力学性能氧化锌的硬度约为4.5,是一种相对较软的材料。氧化锌的弹性常数比氮化 镣等iiiv族族半导体材料要小。氧化锌的热稳定性和热传导性较

16、好，而冃沸点 高，热膨胀系数低，在陶瓷材料领域有用武之地。在各种具有四面体结构的半导体材料中，氧化锌有着最高的压电张量。该特 性使得氧化锌成为机械电耦合重要的材料之一。电学性质在室温下，氧化锌的能带隙约为3.3 ev,因此，纯净的氧化锌是无色透明的。 高能带隙为氧化锌带来击穿电压高、维持电场能力强、电子噪声小、可承受功率 高等优点。氧化锌混入一定比例的氧化镁或氧化镉，会使能带隙在34 ev之间 变化。即使没有掺入任何其它物质，氧化锌具有n型半导体的特征。n型半导体 特征曾被认为与化合物原了的非整比性有关，而对纯净氧化锌的研究则成为一个 反例。使用铝、镣、錮等第iii主族元素或氯、碘等卤素可以调

17、节其n型半导体 性能。而更将氧化锌制成p型半导体则存在一定的难度。可用的添加剂包括锂、 纳、钾等碱金属元素，氮、磷、碑等第v主族元素，铜、银等金属，但都需要 在特殊条件下才具有效用。1.1.5纳米zno的吸附性能由于纳米氧化锌颗粒尺寸的细微化，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，从而使纳米氧化锌具有一系列优界的物理、化学、表面和界 面性质，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，还在磁性光学 催化化学活性吸附等方面表现出奇异

18、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。在实际运用屮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，工业屮 常用纳米氧化锌吸附废水屮的cu2+和cd2+,此外，吸附法处理重金属离子的许 多研究工作述处于实验室阶段，需要更深的研究，以便更好地为工业生产服务。1.2 zno制备纳米氧化锌粉体

19、的制备方法有多种，下面是介绍制备氧化锌常用的三种方 法，并对它们进行比较。1.2.1化学沉淀法化学沉淀法分为直接沉淀法和均匀沉淀法.直接沉淀法ha®是制备超细氧化锌广泛采用的一种方法.其原理是在包含一 种或多种离子的可溶性盐溶液中加入沉淀剂后，于一定条件下生成沉淀，并从溶 液屮析出，然后将阴离子除去，沉淀经热分解后制得产品.常见的沉淀剂为氨水 (nh3.h20),碳酸较等其反应机理为：(1) 以nh3 h2o作沉淀剂zn2+2nh3 h2o -> zn(oh)2l+2nh4+(2) 以碳酸氮钱作沉淀剂2zn2+2nh4hco3 -> zn2 (oh)2co3i+2nh4+

20、zn (oh) 2 -> 2zno-t-co2t+h2o(3) 以草酸钱作沉淀剂zn2+ + (nh4)2c2o4+2h2o znc2o4-2h2o；+2nh4+znc2o4-2h2o -> znc2o4(s)+2h2oznc2o4 -> zno(s)+co2t+cot直接沉淀法操作简便易行，对设备，技术需求不高,有良好的化学计量性，成 木较低，被国内许多厂家所采用，但相对而言，产品质量等级不高，这是因为该法 原溶液中阴离子的洗涤较困难，同时由丁沉淀过程容易出现局部过饱和现象，导 致得到的粒子粒径分布较宽，分散性较差.均匀沉淀法是利用某一化学反应(如冰素或六亚甲基四胺等的水解

21、反应) 使沉淀剂由溶液中缓慢地，均匀地释放hi来，从而可以在溶液中均匀地形成沉淀 最后经热分解获得氧化锌.h前，常用的均匀沉淀剂有六次甲基四胺和尿素，以 尿素作沉淀剂，发生以下反应：(1) 分解反应 co(nh2)2+3h2o -> co2t+2nh3 h2o(2) 沉淀反应 zn2+2nh3 h2o zn(oh)2；+2nh4+(3) 热处理 zn(oh)2 -> zno+h2o与直接沉淀法的易出现局部过饱和相比，由于均匀沉淀法中加入的尿索等沉 淀前驱体没有立刻与被沉淀组分发生反应，而是通过创造一定的化学环境(例如 增加反应体系的温度等)，使沉淀剂在整个溶液屮缓慢地析出，以达到尽

22、可能消除 局部过饱和在均匀沉淀过程屮，由于沉淀离子的而过饱和度在整个溶液中比较 均匀，所以沉淀物的颗粒均匀而致密,便于洗涤过滤，制得的产品粒度小，分布窄, 团聚少该法正逐步取代直接沉淀法,用來制备粒径分布均匀的高档次纳米氧化 锌粉体.1.2.2水热合成法水热法是一种制备优质超细粉体的湿化学方法。水热法制备粉体t艺相对较 为简单，不需要高温灼烧处理，可直接得到结晶完好、粒度分布窄的粉体。近年 來，水热法制备zrch、batio3> plzt等超细粉体得到了深入的研究冈。水热 法制备陶瓷粉体在较低的温度下进行，反应速度并不很高，因此所得粉体粒度相 对于反应速度较高的粉体制备方法(如气相法等)

23、制得的粉体粒度更人"9】。为了加 快水热反应速度，可在水热反应体系屮增加其它措施，如加入微波场(即微渡水 热)和反应电极埋弧(resa)等。结果发现可使水热反应速度提高12个数量 级.并使产物粒度有所减少1绚。水热法粉体制备是在物料恒定的条件下进行.如果采取一定的措施加快成 核速率，在一和对较短的时间内形成足够多的晶核.并在长大的晶粒数不太多之 前将体系中剩余溶质消耗殆尽就可能使产物粒度有所减小.根据品休生长理论， 体系屮晶粒成核速率弹位体积单位时间内形成的晶核数)可表示为：j輙頰-c )式中，/叭为形成临界晶核所需克服的能垒。对于溶液体系，b因子与溶液中溶 质浓度成正比，也与流向晶

24、核表而的粒子流成正比.粒子流取决于体系中扩散速 率及晶核数的增加.溶液小溶质离子、分子或离子团进入晶核时，必须断裂其与 溶剂分了的连接，即需破坏溶剂化效应，并且克服成核的能垒.整个过程(包括 溶剂化效应的破坏和成核能垒的克服)所需的能量称之为成核活化能它町通过实 验加以确定。b因子子可写为如下显函数形式：b 兰 47c/?2v6zexp(-el kt)式中，&为临界晶核半径，为溶液中溶质的密度，。为溶质分子运动平均自 由程，v为溶质分子的震动频率。通过上述分析，可知在不改变其它水热反应 条件下，如果在一相当短的时间内，使反应物的浓度有极大的增加，就可大人加 快成核速率，从而达到减小产物

25、晶粒粒度的目的。这种方法目前述仅停留在研究开发阶段，存在的问题主要是工艺设备复杂， 成本较髙，但被认为是一种很有产业化潜力的方法z1.2.3喷雾热分解法喷雾热解法1是将金属盐溶液以雾状喷入高温气氛中，通过溶剂的蒸发及随 后的金属盐热分解，直接获得纳米氧化物粉体；或者是将溶液喷入高温气氛中干 燥,然后，经热处理形成粉体的方法该法制备的纳米粉体纯度高，分散性好，粒径 分布均匀，化学活性好，并且工艺操作简单，易于控制,设备造价低廉，是最具产业 化潜力的纳米粉体制备方法z采用喷雾热解技术制备了纳米氧化锌粉体，并 对反应温度、空气压力、溶液浓度和流量等操作参数对粒子形貌和组成的影响进 行了研究在优化的工

26、艺条件下制得2030 nm粒度均匀高纯六方品系zno粉体. 研究发现:产物粒子分解程度随反应温度的升高，溶液浓度和流量的降低而增人， 随压力的提高先增大后略有减小，粒子形貌与分解程度密切相关，只有当分解程 度高于90以上,才能获得形貌规则，粒度均匀的产物粒子其实验得出的优化t 艺条件为：温度650750°c,浓度0. 20-0. 50 mol/l,流量05.0 ml/min,压力0. 450. 55 mpa.1.3 zno应用氧化锌在不同产品中有不同的作用：氧化锌是合成橡胶的硫化促进剂和良好的补强剂22】,而且有着色作用.具有良 好的颜料性能。氧化锌与磷酸反应，制得磷酸锌1刼,可用于

27、金属表面的防腐、防锈。氧化锌作为石油产品添加剂创】，是润滑油屮必不可少的复合添加剂，约占各 类添加剂消耗量的10-15%,有着抗氧、抗腐、抗磨多效添加剂的作用。玻璃中加入氧化锌可增加透明度、光亮度和抗张力变形，可减少热膨胀 系数，在光学玻璃、电气玻璃及低熔点玻璃中得到了新的作用。在电子工业中，氧化锌既是压敏电阻的主原料2®,也是磁性、光学等材料的 主要添加剂。采用纳米氧化锌制备压敏电阻，不仅具有较低的烧结温度，而且压 嫩电阻性能得到提高，如通流能力、非线性系数等。纳米氧化锌在光学器件中的 应用将随着纳米氧化锌光学性能的深入研究会取得比较人的突破。在陶瓷业中，氧化锌被广泛用于砖瓦釉及粗

28、陶的半透明釉和工艺餐具的透明 粗釉后熟釉27】。在塑料工业小，氧化锌用作紫外线稳定剂i绚，能使聚乙烯的耐大气性得到改 善，树脂酸与氧化锌反应制得的锌树脂可用来生产快干油量。氧化锌是橡胶和轮胎工业必不可少的添加剂"i,也用作天然橡胶、合成橡胶 及胶乳的硫化活性剂和补强剂以及着色剂。如果将普通氧化锌制成纳米氧化锌用 于橡胶屮，则可以充分发挥硫化促进作用，提高橡胶的性能，其用量仅为普通氧 化锌的30%50%0在化学工业中，氧化锌被广泛用作催化剂、脱硫剂卩叫如合成甲醇时作催化 剂，合成氨吋作脱硫剂；纳米氧化锌的表面高活性可以提高催化剂的选择性能和 催化效率，具有广泛的潜在应用市场。在涂料工业

29、中，氧化锌除了具有着色力和遮盖力外，又是涂料中的防腐剂和 发光剂13*此外，纳米氧化锌优异的紫外线屏蔽能力使其在涂料的抗老化等方而 具有更加突出的特性。在医药卫生和食品工业中，氧化锌具有拔毒、止血、生肌收敛的功能-医 生常以氧化锌作为丁香油氧化锌粘固粉的简称，丁香油氧化锌粘固粉乂称暂时 粘固粉、丁氧膏。作深洞双层垫底的底层不承力材料，或不承力的单层垫底材料, 作12周的窝洞临时封闭材料，也用作根管充填材料，加入赋形剂作为牙周塞 治剂；用于治疗急性瘙痒性皮肤病的炉甘石洗剂中通常也含氧化锌，其利用的是 氧化锌的收敛、保护作用，以及一小部分的防腐作用；氧化锌常被用于生产婴 儿爽身粉等产品，是一种无毒

30、的无机物，人体不会对其产生排异反应，因而安全 性高。此外，氧化锌纳米粒子的体积小，具有不妨碍细胞活动的优点；纳米氧化 锌也用于橡皮膏原料，而且对于促进儿童智力发育具有帮助；纳米氧化锌用于食 品卫生行业的需求在逐步扩人，但是产品要求也比较严格，尤其是有害的重金属 元素含量。在玻璃工业炖i屮，氧化锌用在特种玻璃制品屮；在陶瓷工业i中，氧化锌 用作助熔剂；在印染工业刑中，氧化锌用作防染剂；纳米氧化锌由于颗粒细、活 性高，可以降低玻璃和陶瓷的烧结温度，此外利用纳米氧化锌制备的陶瓷釉面更 加光洁，而且具有抗菌、防酶、除臭等功效。目前纳米氧化锌的制备技术已经収得了一些突破，在国内形成了几家产业化 生产厂家

31、。但是纳米氧化锌的表面改性技术及应用技术尚未完全成熟，其应用领 域的开拓受到了较大的限制，并制约了该产业的形成与发展。虽然我们近年来在 纳米氧化锌的应用方面取得了很人的进展，但与发达国家的应用水平以及纳米氧 化锌的潜在应用前景相比，还有许多工作要做。如何克服纳米氧化锌表面处理技 术的瓶颈，加快其在各个领域的广泛应用，成为诸多纳米氧化锌生产厂家所面临 的亟待解决的问题。1-4本文研究内容与意义木文主要研究的内容有以下几方面：1、纳米级zno粉体的实验室制备方法；2、烧制zno陶瓷片的最佳条件；3、为了推测zno去除水溶液中重金属离了的机理，述做了粉体zno吸附 cu"与烧结后块体zno

32、陶瓷对cu"的吸收情况对比的实验，廿的在于弄 清楚zno对c0的吸附作用，除了纳米粉体的多孔性所产生的吸附作用, 是否还存在其他的吸附作用。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 的汚染口益严重觅金属废水主要含有馅鎳铜锌汞镭镉饥及锡等有毒重金属离了， 它的來源很广，如金属矿山电解电镀医药制革工业等等不加处理或处理耒达标的 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人危害因此，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。日前 对重金加废水的处理方法主耍有：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

33、法等。忖前，纳米材料因其独特的物理化学性质而被广为重视。纳米zno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。出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、量了尺寸效应和宏观量了隧道效应等，从而使纳米材料具有一系列优异 的表面和界面，使得纳米粉体在保持原有化学性质的同时，还在活性吸附等方面 表现出奇界的性能，纳米吸附材料和对于矿物吸附材料以及工农业废弃物成木较 高，但纳米材料的可再生

34、性能又是其不可忽略的一个优点。第2章zno粉体的制备及其对cu"的吸附本章首先采用直接沉淀法和锻烧法制备出zno粉体，并对产品进行x射线 衍射测试实验，得到产品的xrd图像以验证产品的可靠性。z后做了 zno粉体 对cf+去除性能的测试实验，根据实验结果推测出zno粉体吸附cu?+的机理。2.1 zno粉体制备直接沉淀法是制备超细微粒广泛采用的一种方法，其原理是在金展盐 溶液中加入沉淀剂，在一定条件下生成沉淀析出，沉淀经洗涤、热分解等 处理工艺后得到超细产物。不同的沉淀剂可以得到不同的沉淀产物，常见 的沉淀剂为：nh3*h2o> naoh、(nhj2co3、na2co3 (nh

35、4)2c2o4 直 接沉淀法操作简单易行，对设备技术要求不高，不易引入杂质，产品纯度 很高，有良好的化学计量性，成本较低。缺点是洗涤原溶液中的阴离子较 难，得到的粒子粒经分布校宽，分散性较差。2.1.2方案设计采用直接沉淀法合成zno粉体的合成示意图如下图2-1所示。具体实验步 骤：(1) 首先称取0.4390g二水乙酸锌放入500ml烧杯，加入200ml蒸憎水， 再称取0.1600g氢氧化钠加入到烧杯中。(2) 不断搅拌溶液并将烧杯至于超声清洗仪中进行超声分散。(3) 将所得溶液转存到反应釜中，将反应釜放入炉中，设置温度为160°c, 时间6h0(4) 6小时过后取出反应釜,取出产

36、物,经冷却后用无水乙醇进行洗涤,后 于离心机屮分离，分离产物放入干燥箱屮以120°c温度干燥后获得zn(oh)2o(5) 将获得的zn(oh)2置于j甘圳屮，一起放到马弗炉屮设置温度为600°c, 时间5ho(6) -段时间后，取出样品。2.1.3实验流程图图2 - 1水热法制备zno粉体2.1.4实验原料木实验所用的药品均为分析纯。基木实验药品有二水乙酸锌、氢氧化钠、无水乙醇。d/max2.1.5实验仪器实验主要仪器设备有超声清洗剂、电子天平、扌日描电子显微镜、2200vpc型x射线衍射仪、电热恒温鼓风干燥箱。2.2 zno粉体表征取少量的实验合成的zno粉体制样后，进行

37、sem、tem、xrd的表征。zn(oh)2粉体600度锻烧后的zno粉体形态，如图2-2：图2-2 6(x)°czno粉体sem图像nonesei 5.0kvx20.0001/m wd 8.8mm如图2-2和图2-3,它们分别表示了溶剂热法获得zno粉体600°c下锻烧得 到产物的tem照片和xrd照片，从tem屮可看出产物为多孔的结构。如下图2-3所示为通过溶剂热法获得zno粉体的xrd照片，经与zno标 准卡相比较，可以看tb 600°c锻烧后得到的为znoo图2-3实验获得zno粉体的xrd照片2.3 zno粉体吸附性能本节为了研究zno粉休吸附cu&qu

38、ot;的机理，做了如 下实验：配制100ml c0质量浓度为200mg/l的cu(no3)2水溶液，将其转入可封闭 的试剂瓶屮，向该cu(no3)2溶液中加入20gzno粉体后拧紧试剂瓶瓶盖，每隔6h 上下翻转、摇晃试剂瓶30s,以保证zno粉体能与溶液'pcu2+充分接触，48h后 过滤出zno粉体并烘干。下图为zno粉体吸附c0前后的颜色对照实物图，从25【图可以看出，吸 附前zno粉体为白色；而在吸附水溶液中一定屋的cu"后则变为蓝色(如图2-5 ii图所示)。从吸附前后，zno粉体颜色的巨大反差，我们可以初步推断zno粉 体能有效去除水溶液屮的c0离子。图2-5吸附c

39、u"前后的zno粉体(i吸附前 ii-吸附后)为了进一步研究zno粉体对水溶液中a?+的去除性能，我们进行了等温吸 附实验研究，实验结杲如图26所示。从图中看出，在低浓度(<150 mg/l)时，平 衡吸附量(乐，平衡吸附量 "c 川/,其中乐表示平衡吸附量，co和g分 m别表示初始和吸附平衡时溶液中cm*的浓度，m为吸附剂的质量)随初始浓度增 加而快速增加。而在高浓度时(>200 mg/l),随着浓度的增加，平衡吸附量平缓 增加接近平衡状态。为了更好研究吸附的变化趋势，我们研究了两种吸附模型， 即langmuir等温吸附模型陶和freundlich等温吸附模型

40、旳。freundlich等温吸附模型表达式为：么=sc； a园式两边取对数得：log qe = i°g你+兀log cekf为吸附常数。langmuir等温吸附模型表达式为：qm 1+bce1 11b式整理可得=+ 一么bqqqtn()为表面覆盖率，qm (饱和吸附量)和b均为常数。将等温吸附曲线进行适当处理，即分别将浓度及相应吸附量取对数作图，如 图27所示lg(qe)g(ce)的关系图，线性关系较为明确，故可判断zno粉体对 cu2+的吸附方式为f多层吸附。0.11n0.10-0.09-0.08-3 0.07-0.06-0.05-0.040*002040*60*8 t0 12叫图

41、2-7 +吸附l/qc-l/cc曲线此可推测出zno粉体吸附c0的机理如下图2-8所示，图中表示了 zno粉 体吸附二价铜离子的过程。由于zn与o的电负性斧异，使得zno中的o略显 负电，从而0可与水中的氢结合形成oh键。而溶液中的cu"以水合铜离了的 形式(cu(h2o)62+)存在，该水合铜离子与溶液中zno (zn-o-h)结合发生脱氢 反应，最终形成配合物(zno(cuo)ncuoh)。ohohcu cu cu 杏咨咨1 1 11 1 /| 1 11 / /+ cu(h2o)62+ 早半早0 0 0zn zn znzn zn zn图2-9 zno吸附c0机理示意图2.4本章小

42、结木次试验首先采用水热法制备出了纳米zno粉末，并通过tem、xrd检测, 验证了所得产胡为znoo之后做了 zno粉体对cu"去除性能的测试实验，从6 2+的吸附1/qe-l/ce rfh线可以推测出zno粉体对c+的吸附方式为freundlich多层 吸附。第3章zno多孔陶瓷制备及其吸附特性本章采用粉末冶金原理技术3】制岀zno陶瓷片，并分别测试岀其sem、xrd 图像。z后比较三种陶瓷片对cu"的吸附效果，根据测试结果推测出zno陶瓷 片吸附c0的机理为分子间的相互扩散，对比zno粉体与陶瓷对cu2+的吸附效 果，并推测吸附性能差异的原因。3.1 zno粉体成形氧化

43、锌粉体较其他金属粉体的成形更难，通过查阅文献，采用了 pva作为 成形剂。图31就是本次zno粉体压制成形的示意图，具体的成形步骤如下：1、从制备好的zno粉体屮称取30 g,放入研钵屮；2、称取1.5gpva加入zno粉体中；3、边搅拌边红外加热30 min；4、称取0.5g加有粘结剂的zno粉体，放入压片模具中；5、将模具放入压片机中，加压8 mpa,保压10 s；6、取出模具，脱模；7、按照上述步骤，压制出60个胚体。本次实验共制备出60个氧化锌压胚以供后期试验使用。需要注意的是向模 具中加入zno粉体的时候必须使粉体均匀的堆积在内部，可以通过轻微晃动模 具使粉体上表面达到平整的状态。&

44、gt; 2图3-1 压制示意图1阴模;2上模冲3个模冲：4粉末3.2 zno粉体烧结此次烧制zno陶瓷的炉子为箱式电阻箱，型号规格如表31所示:表31箱式电阻炉规格型号sx2-25-10电压220伏功率2.5千瓦相数1出厂口期11年3月最高温度1400 °c常用温度950 °c炉膛尺寸200x120x90 毫米首先将圧制成型的氧化锌胚体分成三组，一组5个；将第一组入马弗炉中，设置温度600 °c，时间2h；第二组放入马弗炉中，设置温度1200 °c，时间2h；第三组放入马弗炉中，设置温度1400 °c,时间2h；取出烧结体冷却至室温，分别称出每

45、组陶瓷片的总质量，并计算出各组的平均质量分别为 0.4997g, 0.4535g, 0.4280g.通过观察比较发现，随烧结温度的升高，烧结体的体积逐渐减小，质量减轻。3.3 zno烧结体形态与结构下图是zno粉休分別在600°c、1200°c、1400°c条件下烧制2 h后的烧结体在扫描电子显微镜下所成的sem图像。图3-2600°c烧结体的sem图片图3-31200°c烧结体的sem图片图3 - 41400°c烧结体的sem图片观察上述三图可以发现随烧结温度的升高，zno烧结体中空隙率逐渐减少, 致密度逐渐增大，结构也更加规整。3

46、.4 zno烧结体对c0的吸附特性下图分别为1400 °c > 600 °c . 1200 °c氧化锌烧结体对15ml浓度为 200g/lcu(n03)2溶液屮cu2+吸附72小时后的实物颜色对照图片。图3-6 zno陶瓷片吸附+后的对照图采用原子吸收分光光度法及纳米技术对吸附c0后的zno陶瓷片进行检测, 并绘制出去除性能曲线如图37所示，观察图像可以发现随温度升高，陶瓷片屮 ci?+含量逐渐减少。3080-70-50-600800100012001400温度图3-7 zno去除cu"性能曲线3.5 zno烧结体吸附c+的机理由上述测试结果可知，

47、随氧化锌烧结温度的升高，氧化锌对ci?+的吸附性能 逐渐减弱（见图3-7）,而xrd图线显示，试验中三种温度下的zno烧结体的 致密度是随温度升高而更加致密，但是高致密度的zno陶瓷片仍然具有较高的 吸附性能。曲此得出，烧结体对c0的吸附机理除了 zno较大的比表面积外， 还存在粒子间的相互扩散。取出吸附过ci?*的zno烧结体观察其断面后发现，烧结体的外层颜色较深, 内层颜色较浅，同样证明烧结体对ci?+的吸附是由分子间的相互扩散导致的。同 时，吸附了 c0的烧结体均发生了颜色上的变化，而该颜色既不同于cu(no3)2 溶液也不和zno粉体相同，所以并不能排除zno烧结体与c/+之间发生了分

48、子 或原子间的化学结合的可能，有关这一点的推测，由于实验时间紧张而未能深入 研究。3.6本章小结这部分实验是把氧化锌胚体在三种不同温度下进行烧结，并在扫描电子显微 镜下观察发现随温度的升高，这三种烧结体的致密度逐渐增加，结构逐渐变的更 加规整。本章实验的重点是测试三种温度下的烧结体对c0的吸附情况，并以此 来推断氧化锌烧结体吸附c/+的机理，由图3-7 cu2+的去除率曲线可知，随烧结 温度的升高，烧结体去除cj+的能力逐渐降低，由此推测出，zno烧结体对ci?+ 的吸附机理是分子间的相互扩散。第4章全文总结与展望本论文研究的主要内容包括以下儿方而：1、通过水热法制备岀纳米级zno粉体；2、分

49、别在1200°c和1400°c下zno粉体烧制成陶瓷片，比较z后确定制备 zno陶瓷的最佳条件是温度1400摄氏度,时间2小时：3、分别做了zno粉体及陶瓷片对溶液中c0的去除能力的测试试验，并根 据测试实验推测出zno粉体去除c0的方法是freundlich多层吸附；zno 陶瓷去除ci严的方法是分了间扩散。另外，吸附过cu"的zno陶瓷片是否发生了物理或化学上的转变，比如陶瓷 片的光敏性能、气敏性能、压电性能、压敏性能、分子组成等是否有所变化，这 些也很有研究的价值，然而由于实验时间紧张，而未能付诸行动。随着科学技术的发展，超细活性氧化锌的需求正以超常速度发展

50、，应用前景 越来越广泛。在环境保护方面，纳米zno依靠其高效的光敏特性，可以有效地降解各种废 水中的无机或有机污染物。光催化氧化技术还能用来处理水中的无机污染物和空 气屮的n o、so2等有害气体。研究表明，纳米zno不仅可有效处理含so32cr2o72 cn no?等无机阴离子,还能解决含6(11)、cr(iil iv)、pb仃i)等重金属离 子的污染问题。从纳米zno的奇妙用途小可以窥视出其广阔的市场和诱人的应用前景，且我 国zn资源十分丰富，相信纳米zno材料的应用会更加广泛。参考文献1贾春峰文化力m 京：人民岀版社出版，2000贾春峰.我国企业文化的走势n中国改革报，20000920姜

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