納米材料在水環(huán)境中污染物的吸附研究－－－畢業(yè)論文

知識水壩（豆丁網(wǎng) pologoogle）傾心為您整理（雙擊刪除） 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： 知識水壩（豆丁網(wǎng) pologoogle）傾心為您整理（雙擊刪除） 【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(nèi)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(shù)據(jù)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 知識水壩（豆丁網(wǎng) pologoogle）傾心為您整理（雙擊刪除） 目 錄 1 緒論 1 2 納 米 技 術 1 2.1 概念 1 2.2 納 米 材 料 的 吸 附 作 用 1 2.3 納 米 材 料 的 吸 附 能 力 的 開 發(fā) 利 用 1 3 水環(huán)境中的常見污染物及危害 2 3.1 耗氧物質 2 3.2 水體的富營養(yǎng)化 2 3.3 油 類 污 染 物 2 3.4 有 毒 污 染 物 2 3.5 固 體 污 染 物 3 4 實 驗 研 究 3 4.1 實驗材料 3 4.1.1 儀器 3 4.1.2 實驗試劑 3 4.1.3 檢測條件 3 知識水壩（豆丁網(wǎng) pologoogle）傾心為您整理（雙擊刪除） 4.2 實驗原理 3 4.3 實驗方法 4 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 4 4.3.2 濃 度 納 米 氧 化 硅 吸 附 Cu 、 Pb 、 Cd 等 溫 實 驗 4 4.4 結 果 與 討 論 4 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 4 4.4.2 納米二氧化鈦吸附 Cu 、 Pb 、 Cd 等溫曲線 6 5 結語 7 6 結論 7 參考文獻 8 知識水壩（豆丁網(wǎng) pologoogle）傾心為您整理（雙擊刪除） 1 緒論 據(jù)估計，現(xiàn)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(chǎn)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(jīng)涉及了許多我們普通的消費產(chǎn)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(jīng)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 0 1 100納米尺度范圍內(nèi)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(chǎn)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(nèi)部具有網(wǎng)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 180m2 g；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(xiàn)出 巨大的潛力提供了在環(huán)境治理方面應用的可能性。 知識水壩（豆丁網(wǎng) pologoogle）傾心為您整理（雙擊刪除） 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(tǒng)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 5 10mg/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(nèi) 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知識水壩（豆丁網(wǎng) pologoogle）傾心為您整理（雙擊刪除） 性物質。無機化學毒物主要指重金屬及其化合物，大多數(shù)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(nèi)以及農(nóng)作物組織內(nèi)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(nèi)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(nóng)藥、多氯聯(lián)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(chǎn)以及農(nóng)田灌溉，燥癥土壤坂結不利于農(nóng)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、鎘的測定采知識水壩（豆丁網(wǎng) pologoogle）傾心為您整理（雙擊刪除） 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。可用于測定高沸點、熱穩(wěn)定性差、分子量大（ 400）的有機物質，如多環(huán)芳烴、農(nóng)藥、苯并芘、有機汞、酚類、多氯聯(lián)苯等 。 色譜法的分離原理是：溶于流動相中的各組分經(jīng)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(jù)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(jù)浦縣強度與濃度的函數(shù)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(nèi)，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(nèi)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(nèi)，加入 20ml 0.01M 濃度的硝酸鈉，然后用移液知識水壩（豆丁網(wǎng) pologoogle）傾心為您整理（雙擊刪除） 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(nèi)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。 nano Fe010203040500 0.2 0.4 0.6平衡濃度 mg /l吸附量 (mg/kg)知識水壩（豆丁網(wǎng) pologoogle）傾心為您整理（雙擊刪除） nano Cu051015202530350 0.2 0.4 0.6 0.8平衡濃度 mg /l吸附量 (mg/kg)nano SiO20510152025300 0.2 0.4 0.6 0.8平衡濃度 m g / l吸附量 (mg/kg)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 知識水壩（豆丁網(wǎng) pologoogle）傾心為您整理（雙擊刪除） 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)。 Cu0123456780 2 4 6 8 10 12平衡濃度 m g / l吸附量 mg/kg知識水壩（豆丁網(wǎng) pologoogle）傾心為您整理（雙擊刪除） Pb051015202530350 5 10 15平衡濃度 m g / l吸附量 mg/kgCd01234567890 1 2 3 4 5 6平衡濃度 m g / l吸附量 mg/kg圖 2 納米 二 氧化鈦 顆粒吸附重金 屬（ Cu、 Pb、 Cd）等溫曲線 知識水壩（豆丁網(wǎng) pologoogle）傾心為您整理（雙擊刪除） 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(shù)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、 Pb、 Cd）吸附隨濃度變化，納米二氧化鈦對 Pb 的吸附量最大，對于 Cu 和 Cd的吸附量基本相同。 6 結語 納米材料在環(huán)境保護中的應用越來越受到了人們的重視。雖然此項技術還處于由實驗室向工業(yè)化發(fā)展的階段 納米技術在微觀理論上還有許多疑點納米吸附理論還有待完善，但可以預見，通過深入研究納米材料的性質，人們將制備出高吸附選擇性的納米材料找出大規(guī)模、低成本、無污染的納米材料可控生產(chǎn)工藝以實現(xiàn)納米技術使用規(guī)?；?，降低其產(chǎn)品進入環(huán)境保護市場的門檻。納米吸附技術作為一門全新學科必將對環(huán)境保護產(chǎn)生重大影響，納米吸附技術的推廣必將是不可阻擋的趨勢。 感謝您的使用 “小萍，晚上 10 點以后你為什么老關機？ ”陳飛很直接的發(fā)過來一條這樣的疑問。 有些按捺不住心頭的怒火得力萍想起白天母親那無休止的嘮 叨，在看看陳飛所發(fā)過來的令人氣憤的短信，。平日有著高雅素養(yǎng)的她也很難一下子控制住心頭怒火中燒的情緒， “我忙忙碌碌一整天，下班以后我只知識水壩（豆丁網(wǎng) pologoogle）傾心為您整理（雙擊刪除） 想回家安安靜靜好好的睡一覺，沉沉香甜的睡夢中，我不想被外界的因素所打擾，這就是我下班以后回家立刻關機的原因。陳飛你問這話到底是什么意思？ ”氣憤填膺的李萍立刻回復著陳飛。 “我知道你白天為了飯店的生意勞碌不堪的，但是白天再累晚上下班以后也不至于回家就倒頭大睡呀，你難道沒有別的娛樂愛好嗎？ ”陳飛這個令李萍還在躊躇考驗的男人竟然還在不知深淺的試探著。 “什么娛樂項目？你難道說的是找一 群人在一起花天酒地的吃喝？還是閑得無聊漫無目的的在大街上瞎溜