【复合硅锰材料的制备及其性能研究6300字（论文）】

复合硅锰材料的制备及其性能研究目录TOC\o"1-2"\h\u32341复合硅锰材料的制备及其性能研究 124228关键词：重金属污染；水体净化；吸附 1268691.引言 1264862.重金属污染的危害简述 2302112.1铜污染的特征及危害 2176332.2镉污染的特征及危害 3242332.3铬污染的特征危害污染 3236423.污水重金属离子处理技术的应用及讨论 3101363.1环氧树脂复合材料的种类 3185893.2当前主流重金属消除技术的分析 4118413.3重金属水污染的处理方案研究思路 5287844.试验步骤 5104964.1实验试剂与仪器 5145034.2水热法制备δ-MnO2 7311344.2浸渍法制备复合纳米硅锰材料 7212834.3复合纳米硅锰材料的表征 7278524.4重金属离子溶液的吸附 7314505.试验结果与讨论 85764结论 1011576参考文献 10摘要：本文制备了纳米复合硅锰材料，并对其进行了红外表征以及研究了其吸附铜离子溶液的性能。数据表明随着铜离子浓度的增加，纳米材料对于铜离子的吸附量有所提升。同时，通过不同水热反应时间所制备的纳米材料，其吸附性能也有所不同，水热反应的时间越长，其吸附铜离子的能力也相应增强。这是因为水热反应时间越长，δ-MnO2的纯度更高，分散性更好，从而制备出的复合纳米材料的吸附性能更加良好。关键词：重金属污染；水体净化；吸附引言随着经济高速发展，我国也暴露出各种污染问题，尤其是水土重金属污染形势日趋严重。二十世纪以来，我国重金属污染事件频繁发生，不但严重威胁了农业土地与各类农副产品的质量，并且对我国国民的生命健康造成了直接危害，进而妨碍社会稳定。如何有效的消除和减少重金属离子污染是当今社会研究的重点。研究者们主要通过纳米化结构设计或与其他材料复合等方法来改善其电化学性能。降低硅颗粒的尺寸并设计特殊结构可显著降低硅的绝对体积变化程度，同时缩短铿离子迁移路径，从而提高电池循环稳定性。但纳米硅材料制备方法复杂、技术成本昂贵、材料振实密度低等问题限制了其推广应用。将硅与其他材料复合可有效提高硅基负极综合性能，主要包括硅-碳和硅一金属复合材料，其中部分硅碳材料已经实现产业化应用。硅一金属复合材料是将硅与金属元素合金化形成稳定的硅合金，利用金属良好的延展性、机械性和导电性等来弥补硅的缺点，同时硅合金的高振实密度和简易制备工艺有助于规模化应用。在硅合金中，硅锰合金具有用途广泛、产量高的优点，而且硅锰合金在铿离子电池材料中的应用未见报道。本文研究复合硅锰材料的制备，通过金属热还原制备了硅/硅锰合金复合负极材料，该复合材料继承二氧化硅模板结构特点，材料内部的孔道已经外部的硅锰合金能有效抑制硅的体积效应，从而提高材料综合性能;随后对材料进行碳包覆，进一步提高其电化学性能。δ-MnO2是应用最为广泛的一种纳米二氧化锰晶型，它具有独特的、不规则的网层状结构，并且δ-MnO2拥有相较于其他晶型的锰氧化物更大的比表面积，在吸附领域δ-MnO2具有广泛的应用；有研究表明,δ-MnO2晶体表面还富有丰富的羟基，对多种重金属离子污染物，均有显著的吸附效果。。δ-MnO2的制备方法通常使用水热法或氧化还原法。氧化还原法的优点是工艺简单，容易通过更改反应条件来控制反应，更易得到晶型良好，具有较高的比电容的产物[12]。水热法的优点是反应体系以水溶液作为介质，同时，水溶液也可使反应体系的物理、化学条件保持相对稳定，通过加热反应容器，创造稳定的反应环境，具有高温高压条件，可以使难溶性，不溶性物质，在反应釜中结晶，团聚[13]。在水热条件下，离子的溶解度提高，离子的活度也相应增强，反应物在水热反应过程中的由固体沉淀转变为溶液，进而重新结晶、成核并增大。通过水热法可制备低杂质、高分散性、形状易于控制的纳米二氧化锰颗粒。用水热法制备出δ-MnO2后，再选择采用浸渍法制备复合硅锰材料。浸渍法的原理是通过浸没的方法使各类具有活性的组成或者助剂浸入固态载体的外表面上，活性成分进而能够有效的找到的载体。浸渍平衡后，通过干燥、高温焙烧等工序除去多余的水分以及液体，这样这些金属和金属氧化物的盐就均匀的保留在载体的表面孔洞中，最终可以合成高度分散的催化剂材料。对制备的复合硅锰材料进行红外表征，用复合硅锰材料对溶液中的铜离子进行吸附，检验其的吸附性能，探究新型复合硅锰材料得到制备方法分析其在重金属离子的消除领域的适用性，为重金属离子回收/消除提供新的思路2.重金属污染的危害简述2.1铜污染的特征及危害铜（Cu），属于过渡金属，密度为8.960g/cm³（固态）。铜虽然是重金属，但它是自然生命维持正常生理活动所必需的微量元素，微量的铜对动植物的发育有益，然而，当铜在动植物体内过剩时，就会产生毒害作用，导致发育迟缓，生理活动受到影响，严重则可导致死亡，损害整个水生生态系统，甚至导致整个生态系统遭到破坏。过量的铜随着动植物的富集从而危害动植物的生命，同时，富集作用也会增加铜的毒性。人类食用这些过量含铜的食物时，多余的铜会积聚在体内，会导致人体出现某些病症，如威尔逊病，研究推测它可能是由于体内肝、肾、脑等重要器官积累了过量铜而引发。人体内铜含量过高还会诱发各类心血管疾病，影响人体健康。2.2镉污染的特征及危害镉（Cd），密度为8.65g/cm³，其并不是人体的必须元素。镉进入人体后，会对人的脏器造成严重损害。镉污染一般源自人类社会，如焚烧垃圾、冶金等。当人体积蓄了超标准量的镉时，会直接破坏肾脏正常的功能，严重时可导致肾衰竭。慢性镉中毒还会影响人体免疫、神经、生殖系统等的正常生理功能，并且还可能引发恶性肿瘤等疾病。2.3铬污染的特征危害污染铬（Cr）,是人类以及动物等生命体的必要元素，固态密度为7.19g/cm³，液态密度6.9g/cm³。1959年的SCHWARZ和MERTZ等人的研究证实，Cr3+是GTF的必要组成部分，而导致人体及动植物中毒的是Cr6+。铬污染来源于各类人类活动以及化学生产排放，包括铬矿石冶炼、电镀、制黑、颜料等产生的含铬废气、废水、废物等。铬主要通过消化道和气道进入身体，并可在体内累积。若不小心服用吞服含铬物质，可引起腹部疼痛、皮炎、过敏性湿疹等中毒症状，大量吸入含铬的气体会则刺激或灼烧呼吸道，导致急性支气管炎等疾病。如果铬在人体内长时间停留，会对脏器造成损伤，严重可导致癌症和基因突变。有研究显示，只有人为通过科学技术手段才能使六价铬降解，在人体内它会一直积累，属于重污染物质。3.污水重金属离子处理技术的应用及讨论3.1环氧树脂复合材料的种类目前，水中重金属离子处理技术主要包括：吸附法、物理化学法、膜分离技术以及微生物法。在不同的实际处理情况中，还可以通过不同处理技术相结合来使处理结果达到最优。其中物理化学法包括化学沉淀法、电解法和离子交换树脂等。传统的化学沉淀法的主要是使用硫化物法沉淀以及中和法沉淀。何绪文等采用硫化物沉淀化处理含铅废水，最佳的反应初始pH为6～9。在最佳操作条件下，Pb2+的平均去除率为99.60%，硫化铅的平均粒径为2.62μm，沉淀性能优良。沉淀性能优良。电解法的基本原理是通过直流电作用后，在电极阳极重金属的化合物电离成金属离子，在阴极被还原成金属。离子交换树脂可按其的有效功能基团分为阴、阳离子交换树脂和螯合功能基团交换树脂，目前离子交换树脂也被广泛用于重金属吸附领域。吸附法是吸附剂直接利用其表面的多孔隙结构直接固定吸附质或者通过与吸附质形成化学键从而固定吸附质来达到吸附的效果。根据吸附剂材料的不同，吸附法可以分为化学材料吸附、物理材料吸附、亲和材料吸附等。微生物吸附目前实际应用较少，微生物吸附重金属离子的具体机理目前也尚不能解释清楚，其原因是因为微生物数量庞大，不同微生物之间生理构造差异巨大，以及一部分微生物对于某种特定金属具有独特的高选择性。3.2当前主流重金属消除技术的分析生物法利用微生物代谢产生的高分子化合物，具有高效环保的特点，最大的优势在于其为环境友好型材料。微生物法具有良好的应用前景，然而，微生物吸附重金属离子的原因目前尚不能解释清楚，在现阶段，微生物吸附法还没有大量应用，该技术的研究目前尚处于实验研究阶段。电化学法在重金属离子的吸附中一般不单独进行；而沉淀法所耗费的处理费用较大，因此首先要考虑问题的就是如何降低处理成本。树脂可以多次循环使用，易于操作，已经被普遍用来处理重金属离子。然而树脂可能受污水中各种污染物及氧化物的影响，造成树脂的损伤及水体的二次污染。物理化学中的膜分离法虽然具有许多的特殊性和优点，但是若在处理重金属的过程中单独地使用膜分离法，而又忽略了与其他处理方法的应用相结合,往往会造成效果有限，并且使得污水处理成本升高。只有不断地拓展四种处理工艺方法的有机结合，才能促进水中重金属污水处理工艺加速发展，并拥有广阔的前景。在众多吸附材料中被广泛应用的是无机吸附材料，天然的无机化合物多具有孔结构，其特点是需要一定的离子交换能力，其优点是成本低，来源广，吸附量大，无机吸附材料包括矿物、碳、金属的氧化物等。特别是锰、钛、铝等金属的氧化物，在污水重金属离子消除方面表现优异。这些金属氧化物吸附材料表面的羟基的多少是吸附效果的强弱的重要影响因素。若是表面羟基更丰富，那么吸附材料就可以与被吸附物发生更多的配体交换或络合，从而加强了对被吸附物的固定。吸附法的优势在于成本较低，实际操作简便，对于含有不止一种离子的污水，吸附剂的吸附性能可能会因为各类阴阳离子的相互作用而降低。3.3重金属水污染的处理方案研究思路在传统的处理重金属污染的方法中，每种处理方法都有其优势和局限性。传统方法很难在复杂的重金属污染情况下较好的达到期望的处理效果。因此应研究一种新型处理方法或材料，使其可在多变复杂的污染环境下，针对多种重金属元素都能达到理想的处理结果。该方法还应具有实用意义，力求操作方法简单，应用面广泛，成本低廉，同时，还要考虑该方法是否本身对环境有污染作用。4.试验步骤4.1实验试剂与仪器1试剂名称规格KMnO4分析纯MnSO4分析纯KBr优级纯Si(OC2H5)4分析纯K2Cr2O7优级纯CuSO4优级纯2仪器名称型号分析天平AR1140恒温磁力搅拌器B11—3型均相反应器JXF-12-500电热恒温鼓风干燥箱GZX-GF101-2-BS-Ⅱ傅里叶变换红外光谱仪SpectrumTwo超声波清洗器KM-300DE4.2水热法制备δ-MnO2用分析天平称取三份等量的高锰酸钾于三个标号为1，2，3的烧杯中，然后再用分析天平称取三份等量的硫酸锰，也分别放入三个烧杯中。KMnO4与MnSO4的物质的量比为6：1。用蒸馏水溶解后，在磁力搅拌器中保持75°C的恒温，搅拌90分钟，均匀混合溶液以后分别盛入三个高压反应釜中，设定均相反应器反应温度为180℃，反应频率为10Hz。设定1号溶液反应为24h，二号溶液反应36h，三号溶液反应时间为48h；在均相反应器中进行水热反应。反应结束后取出三个反应釜，对反应生成的二氧化锰进行减压过滤。抽滤时不停用蒸馏水冲洗二氧化锰样品，直至滤液完全透明无色。随后将三份抽滤好的二氧化锰样品送入电热恒温干燥箱中，在120℃的温度下干燥。干燥完毕后，将三份样品充分研磨，准备使用浸渍法制备复合硅锰材料。。4.2浸渍法制备复合纳米硅锰材料从三份δ-MnO2中分别称取1gδ-MnO2样品于三个50ml坩埚中，分别加入正硅酸乙酯和蒸馏水使溶液完全浸没δ-MnO2样品。用玻璃棒不断搅拌，让载体与浸渍液充分接触，静置30min。静置后，将上述三个样品在80℃下放入电热恒温鼓风机干燥箱中干燥90min，随后将干燥箱温度设定为120℃，时间设定为120min，继续干燥样品。干燥完毕后，使用马弗炉进行纳米材料的煅烧，设定马弗炉温度为450℃，进行高温焙烧4h，焙烧完毕后，等待马弗炉充分冷却完毕再取出三份样品，此三份样品即为本实验所需制备的复合硅锰纳米材料。4.3复合纳米硅锰材料的表征将三份制备出的复合硅锰材料样品依次用溴化钾压片法进行红外表征：在玛瑙研钵中放入溴化钾约200mg、纳米材料约1~2mg，沿顺时针方向研磨约1~2分钟，把样品充分研细。取出模具，用酒精清洗擦拭干净，随后将底座装好，内模块光面向上，将内模块放入，用药匙把δ-MnO2样品置入内模块中。添加顶柱，慢慢旋转，使样品在模具底面平铺。随后将模具放在压机上，拧紧螺旋，关闭放气阀，加压到10MPa以上，然后等待3~5分钟，使样品薄片被充分压好。将放气阀慢慢打开，等待压力表数值下降为0。拆下螺旋并取出模具。将底座打开，反向取出内部模块，用平铲取出压片，然后放入片剂夹中夹好，准备红外扫描。以KBr空白片为参照装填红外样品光路，打开红外扫描系统，预热机器半小时，随后开始扫描。4.4重金属离子溶液的吸附用分析天平称取一定量的硫酸铜，放入烧杯中，加入少量蒸馏水使其溶解。随后将溶液转入250ml容量瓶中进行定容，保证该溶液中铜离子浓度为1g/L。随后再称取另一份硫酸铜，溶解、用250ml容量瓶定容，保证该溶液中铜离子浓度为2g/L。再分别取三份0.1g的纳米材料（24h、36h、48h），将三份样品放入三个标好号的锥形瓶中，分别加入1g/L的Cu2+溶液。再取三份0.1g的纳米材料样品，同样放入三个标记好的锥形瓶中，分别加入2g/L的Cu2+溶液。保证每份样品的体积最终都为100ml。将六份样品置于超声波清洗器中，设定吸附温度、功率、时间，随后进行超声吸附4h，在吸附结束后抽滤3组溶液，将滤渣放入电热恒温送风干燥箱中，在120℃下干燥，用万分之一天平称重，测量复合硅锰材料的增重质量。。5.试验结果与讨论表3纳米材料对铜离子溶液（1g/L）的吸附吸附前纳米材料质量/（g）吸附后纳米材料质量/（g）吸附质量/（g）1号0.10110.12330.02222号0.10290.12760.02473号0.10090.13260.0317表4纳米材料对铜离子溶液（2g/L）的吸附吸附前纳米材料质量/（g）吸附后纳米材料质量/（g）吸附质量/（g）1号0.10240.13810.03572号0.10140.14020.03883号0.10750.14950.0420由复合纳米材料对铜离子的吸附实验结果可知，3组复合纳米材料均对铜离子溶液表现出一定的吸附性。1号纳米材料对于浓度为1g/L的铜离子溶液，其吸附铜离子质量为0.0222g，吸附量为219.6mg/g。对于浓度为2g/L的铜离子溶液，其吸附铜离子质量为0.0247g，吸附量为348.6mg/g。2号纳米材料对于浓度为1g/L的铜离子溶液，吸附铜离子的质量为0.0247g，吸附量为240.1mg/g，对于浓度2g/L的铜离子溶液，其吸附铜离子的质量为0.0388g，吸附量为382.6mg/g。3号纳米材料对于浓度为1g/L的铜离子溶液，吸附的铜离子质量为0.0317g，吸附量为314.2mg/g，对于浓度为2g/L的铜离子溶液，吸附铜离子的质量为0.0420g，吸附量为390.7mg/g。本实验成功制备出了复合硅锰纳米材料，并对其进行了红外表征以及研究了其吸附铜离子溶液的性能。数据表明随着铜离子浓度的增加，纳米材料对于铜离子的吸附量有所提升。同时，通过不同水热反应时间所制备的纳米材料，其吸附性能也有所不同，水热反应的时间越长，其吸附铜离子的能力也相应增强。这是因为水热反应时间越长，δ-MnO2的纯度更高，分散性更好，从而制备出的复合纳米材料的吸附性能更加良好。结论吸附法在处理重金属离子对水体的污染中发挥着重要的作用。但由于当前社会对于使用成本，吸附效能，控制污染等方面有着越来越高的要求，所以急需研发出低成本，广用途，并可以满足人们对某些特殊污染环境或者特定的重金属离子达到良好吸附效果的吸附材料。而新型复合纳米材料相较于传统的各类吸附材料，有优越的吸附性能，稳定的化学性质，在以后的重金属吸附领域将会发挥越来越大的作用。参考文献[1]明辉.水中重金属污染治理综述[J].科技创新导报,2011(32):61+-63.[2]陈程,陈明.环境重金属污染的危害与修复[J].环境保护,2010(3):55-57.[3]王夏芳.铜离子对环境危害现状及对策研究[J].国土与自然资源研究,2015(01):55-57.[4]仲科.水体中重金属离子危害及检测方法研究