MWCNTs的不同改性方法對吸附金屬離子的影響.doc

I MWCNTs 的不同改性法對吸附金屬離子的影響 摘 要 近年來 隨著社會的工業(yè)發(fā)展 有毒重金屬對環(huán)境的污染嚴重威 脅著人類的身體健康 因此 廢水處理逐步成為全球性的問題 碳納 米管的特殊結(jié)構(gòu)決定了它特殊的物理化學(xué)性質(zhì) 其性質(zhì)主要表現(xiàn)為特 殊的電學(xué) 機械性質(zhì)和優(yōu)良的吸附性能 作為一種新型吸附劑 它優(yōu) 異的吸附性能受到人們很大的關(guān)注 本論文綜合分析整理了MWCNTs 的不同改性法對吸附金屬離子的影響 同時系統(tǒng)論述了國內(nèi)外關(guān)于金 屬離子廢水處理方法的研究進展 結(jié)合多方面因素 運用混酸 濃硝 酸兩種不同的酸改性方法分別對同一金屬離子進行吸附 然后采用單 一數(shù)實驗方法進行實驗 再根據(jù)正交試驗的結(jié)果分析 確定吸附的最 佳工藝參數(shù) 得出結(jié)論如下 1 兩種不同的酸改性方法相比較 混酸改性 MWCNTs 對吸附金 屬離的影響較大 而且吸附率也最高 2 正交試驗結(jié)果表明 不同因素對 Pb2 吸附量的影響也不同 從 大到小依次為 吸附劑的投入量 pH 時間 溫度 其中吸附劑的投 入量影響最為顯著 關(guān)鍵詞 MWCNTs 重金屬 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 錄 引言引言 1 第一章關(guān)于國內(nèi)外廢水中金屬離子的處理方法第一章關(guān)于國內(nèi)外廢水中金屬離子的處理方法 2 1 1 重金屬廢水的處理方法和研究現(xiàn)狀 2 1 1 1 化學(xué)沉淀法 2 1 1 2 物理處理法 3 1 1 3 生物處理法 3 1 2MWCNTs 的不同改性方法 4 1 2 1 超聲波改性法 4 1 2 3 非共價改性法 5 1 3 金屬離子含量的測定方法 5 1 3 1 原子吸收光譜法 5 1 3 2 絡(luò)合滴定法 5 1 3 3 質(zhì)譜法 5 第二章實驗研究的目的意義及方案設(shè)計第二章實驗研究的目的意義及方案設(shè)計 6 2 1 研究的目的意義 6 2 2 研究的內(nèi)容 6 2 3 研究目標 6 2 4 實驗儀器與藥品 6 2 5 實驗方法及過程 7 2 5 3 含鉛廢水的配制 7 2 5 4 濃硝酸改性后的 MWCNTs 對吸附 Pb2 的影響 7 2 5 5 混酸改性后的 MWCNTs 對吸附 Pb2 的影響 7 ii 2 5 6 單一數(shù)實驗設(shè)計 8 2 5 7 正交實驗設(shè)計 8 2 5 8 儀器測定條件 9 第三章實驗結(jié)果與討論第三章實驗結(jié)果與討論 10 3 1 計算公式 10 3 2 標準曲線的繪制 10 3 3 標準溶液濃度和相應(yīng)的吸光度值 10 3 4 濃硝酸和混酸改性后的 MWCNTs 對吸附 Pb2 的影響 11 3 5 單一數(shù)實驗結(jié)果與分析 12 3 5 1 時間對吸附的影響 12 3 5 2 反應(yīng)溫度對吸附率的影響 13 3 5 3 溶液 pH 對吸附率的影響 14 3 5 4 吸附劑投加量對鉛離子吸附率的影響 15 3 6 正交實驗結(jié)果與分析 16 3 8MWCNTs 吸附 Pb2 的最佳條件 17 第四章總結(jié)第四章總結(jié) 18 4 1 結(jié)論 18 4 2 未來展望 18 參考文獻參考文獻 19 致謝致謝 20 1 引言 碳納米管具有特殊的結(jié)構(gòu) 這就決定了它的物理化學(xué)性質(zhì) 主要的表現(xiàn)是其特 殊的機械性質(zhì) 電學(xué)和優(yōu)良的吸附性能 它作為一種新型的吸附劑 其優(yōu)異的吸附 性能受到人們非常大關(guān)注 常規(guī)的碳基吸附劑主要是受本身尺寸 結(jié)合鍵活化能 表面活性位點密度等因素的影響 吸附速度較慢 穿孔能力較弱 碳納米管有很大 的優(yōu)勢 這些優(yōu)勢表現(xiàn)為的較大的比表面積 孔徑分布可控等 克服了常規(guī)材料固 有的限制 碳納米管對各種農(nóng)藥 多環(huán)芳烴 除草劑 有機污染物還有 Pb2 Cd2 Fe2 Cu2 Ni2 Zn2 等重金屬離子都有優(yōu)良的吸附性能 1 隨著人 們對吸附機理越來越多的理解 可以根據(jù)目標化合物的特性來對碳納米管的表面特 性進行改性優(yōu)化 從而提高對于特定污染物的吸附率 自 1991 年碳納米管問世以來 其獨特的結(jié)構(gòu) 電學(xué) 優(yōu)異的力學(xué)和優(yōu)良的儲 氫性能而受到很大的關(guān)注 基于多壁碳納米管要比單壁碳納米管制備簡單 易大規(guī) 模的工業(yè)化生產(chǎn) 目前對它的研究更加受到研究者的鐘愛 然而因為 MWCNTs 表 面能高 很容易發(fā)生纏繞和團聚 不能夠溶于一般的有機溶劑和水 其應(yīng)用受到限 制 MWCNTs 的氧化處理已經(jīng)有很多的文獻報道 但卻較少有對不同氧化體系的 處理效果展開較細致的研究 使碳納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種方法 重要的是簡單 容易實現(xiàn) 因此 本研究選擇最常 見的 H2SO4 HNO3 體積比 3 1 和濃硝酸對碳納米管分別進行改性 2 實驗證明 對 于改性后的碳納米管吸附廢水中的金屬離子 用混酸對碳納米管進行處理比用濃硝 酸更有效 本實驗著重研究混酸改性碳納米管使其對 Pb2 進行吸附 研究其對 Pb2 的最佳吸附條件 為 MWCNTs 處理廢水中的 Pb2 提供一定的理論實驗依據(jù) 2 第一章第一章 關(guān)于國內(nèi)外廢水中金屬離子的處理方法 1 1 重金屬廢水的處理方法和研究現(xiàn)狀重金屬廢水的處理方法和研究現(xiàn)狀 目前 重金屬廢水處理的方法可以大致分成三大類 3 1 化學(xué)沉淀法 包含 硫化物沉淀法 中和沉淀法 化學(xué)還原法 鐵氧體沉淀法 高分子法和電化學(xué)法 2 物理處理法 包含離子交換法 吸附法 膜分離法 萃取法 凝固法和蒸發(fā)等 3 生物處理法 包含生物絮凝法 植物修復(fù)法和生物化學(xué)法 1 1 1 化學(xué)沉淀法化學(xué)沉淀法 沉淀法是通過一定的化學(xué)反應(yīng)使得重金屬離子變成不溶性物質(zhì)從而沉淀分離出來 1 中和沉淀法 在含有重金屬廢水中加堿后進行的中和反應(yīng) 使得重金屬生成氫氧化物沉淀而 進一步分離 這種方法操作起來簡單方便 但只是單純地將污染物轉(zhuǎn)移 容易造成 二次污染 2 硫化物沉淀法 在廢水中加入硫化物 使得重金屬離子生成沉淀硫化物而析出 相對于氫氧化 物法不僅可以大幅度地減少礦泥產(chǎn)生 還可用干冶煉法回收有價物 4 與中和沉淀 法相比來說 重金屬硫化物的溶解度小于氫氧化物 沉渣含水量較低 不易返溶從 而造成污染 但是硫化劑自身有毒 而且價格貴 沉淀物的顆粒小 易形成膠體 3 鐵氧體沉淀法 向廢水中加入Fe2 使得各種重金屬離子形成具有一定磁性的鐵氧體晶體沉淀 此方法可以一次性除去廢水中的多種重金屬離子 形成的沉淀顆粒大 容易分離 而且顆粒不會再溶解 沒有二次污染 形成的沉淀是種優(yōu)良半導(dǎo)體材料 還有一優(yōu) 點是分離方法簡單 但在操作的過程中需加熱到60 70 耗能高 反應(yīng)較慢 操 作時間較長 而處理后鹽度高 不能單獨地回收有用金屬 也不能處理含Hg和絡(luò)合 物的廢水 4 化學(xué)還原法 利用重金屬多種價態(tài) 加入一定量的氧化劑和還原劑 使人們獲得所需的重金 屬價態(tài) 此種方法能夠使廢水中的重金屬離子往更易生成沉淀或是毒性較小的價態(tài) 轉(zhuǎn)換 最后再沉淀去除 在實際的操作中要注意使用適當(dāng)試劑 讓生成物低毒或是 無毒 從而避免二次污染 同時需要考慮試劑的廣泛來源性和經(jīng)濟性 3 5 電化學(xué)處理 廢水和電源的正負極相互接觸發(fā)生氧化還原反應(yīng) 當(dāng)對重金屬進行廢水電解的 時候 廢水中的重金屬離子在陰極因得到電子而被還原 但是這種方法耗能大 1 1 2 物理處理法物理處理法 1 吸附法 此法是應(yīng)用多種多孔性的吸附材料來去除廢水中重金屬離子 是一種很好的處 理廢水中重金屬離子的方法 2 溶劑萃取法 利用重金屬離子在有機相或者水相中溶解度的不同 使重金屬濃縮到有機相中 進行分離 但在萃取 5 過程中能源消耗大 3 離子交換法 離子交換法 6 是重金屬離子和離子交換劑進行交換 從而達到去除廢水中的重 金屬離子 此法是一種重要電鍍廢水治理方法 不僅處理容量大 而且出水水質(zhì)好 可以回收重金屬資源 對環(huán)境沒有二次污染 但是離子交換劑易發(fā)生氧化失效 操 作費用太高 4 膜分離技術(shù) 膜分離是利用一種特殊半透膜 在外界的壓力作用下 不會改變?nèi)芤夯瘜W(xué)形態(tài) 使得溶液中的一種溶劑或溶質(zhì)滲透出來 來達到分離的目的 1 1 3 生物處理法生物處理法 1 生物絮凝法 生物絮凝法是通過借助微生物或者植物產(chǎn)生的代謝物來進行絮凝沉淀 生物絮 凝劑安優(yōu)點是安全無毒 不會造成二次污染 在水處理中有非常廣泛的應(yīng)用前景 缺點是不僅生產(chǎn)成本較高 而且活體生物絮凝劑保存也很困難 2 生物化學(xué)法 此方法利用有些菌類物質(zhì)具有的一定氧化還原能力 改變重金屬離子的價態(tài) 從而來改變重金屬離子的化學(xué)性質(zhì) 但是濃度過高或是毒性強的重金屬離子會對菌 有一定的影響 使得這種方法有一定局限性 3 植物修復(fù)法 植物修復(fù)是利用微生物和植物發(fā)達的根須來對重金屬進行富集 積累以及親合 4 作用把重金屬離子轉(zhuǎn)化成毒性低的物質(zhì) 1 2 MWCNTs 的不同改性方法的不同改性方法 多壁碳納米管作為吸附劑有很多的優(yōu)勢 但是由于它的表面惰性和疏水性 這 就影響了活性組分的分散 在一定程度上限制了它的使用 因此對碳納米管表面進 行改性的研究顯得尤為重要 多壁碳納米管的表面改性可以通過化學(xué)與物理兩種方 式進行 改性的方法主要包括超聲波改性 共價改性非以及共價改性等 1 2 1 超聲波改性法超聲波改性法 超聲波法 7 是種純物理方法 這種方法處理的碳納米管以其平衡位置作為中心 做高速振動 納米顆粒擺脫粒子之間的吸附而彼此分離 阻止溶液中的納米顆粒團 聚 使碳納米管和溶液充分的接觸 讓金屬粒子能有機會附著在碳納米管的表面 超聲波對碳納米管的分散作用可以用于碳納米管載體催化劑的制備 對活性組分的 沉積有特別的效果 但是超聲一旦停止 多壁碳納米管分散的穩(wěn)定性就會變差 影 響了催化劑的性能 單獨地使用超聲波并不能夠改變碳納米管的性質(zhì)和表面結(jié)構(gòu) 也不能夠完成對碳納米管的改性 1 2 2 共價改性法共價改性法 共價改性法主要是用共用電子對對碳納米管來進行表面改性 使得多壁碳納米 管的表面產(chǎn)生畸變 生成含氧基團 從而有利于活性組分的負載 1 酸表面氧化改性 多壁碳納米管不容易被氧化劑侵蝕 一般的氧化僅僅能起到純化的作用 但如 果在苛刻的氧化條件下 多壁碳納米管的表面便可以生成極性含氧基團 使親水性 大大增加 同時也可以獲得高分散的金屬粒子 常用的氧化劑為濃硝酸和濃硫酸的 混酸 濃硝酸 濃硫酸和高錳酸鉀的混酸等 經(jīng)過混酸處理后的多壁碳納米管具有 更規(guī)整的幾何結(jié)構(gòu) 表面具有親水性 易和金屬前驅(qū)體結(jié)合 更增大了比表面積 對重金屬離子吸附效果更好 2 表面后功能化改性 表面后功能化改性是在碳納米管的側(cè)壁以及端口進行化學(xué)修飾 通過對酸處理 產(chǎn)生的酰氯化 含氧基團進行酰胺化等反應(yīng)來接上功能基團 此改性方法包括有機 物嫁接反應(yīng) 酰胺化反應(yīng) 靜電吸附反應(yīng)和酰氯化反應(yīng) 5 1 2 3 非共價改性法非共價改性法 非共價改性是表面活性劑和水溶性聚合物等通過一系列的非共價相互作用來對 碳納米管側(cè)壁進行包裹 將碳納米管從成簇的管束中分離出來而得到單根的可溶碳 納米管以實現(xiàn)碳納米管在溶液中分散 此改性方法包括表面活性劑改性和有機分子 改性 1 3 金屬離子含量的測定方法金屬離子含量的測定方法 1 3 1 原子吸收光譜法原子吸收光譜法 原子吸收光譜儀是分析化學(xué)領(lǐng)域中的一種極其重要分析方法 已經(jīng)被廣泛的應(yīng) 用于冶金工業(yè) 它是利用被測元素的基態(tài)原子特征輻射線的吸收程度來進行定量分 析的方法 1 3 2 絡(luò)合滴定法絡(luò)合滴定法 以絡(luò)合反應(yīng)為基礎(chǔ)的滴定分析方法稱為絡(luò)合滴定法 其中 絡(luò)合劑分可分為有 機滴定劑和無機滴定劑 1 3 3 質(zhì)譜法質(zhì)譜法 質(zhì)譜法 8 是使待測化合物產(chǎn)生氣態(tài)的離子 再按照質(zhì)荷比 m z 將離子分離 檢測的一種分析方法 檢測限可達到 10 15 10 12mol 數(shù)量級 6 第二章 實驗研究的目的意義及方案設(shè)計 2 1 研究的目的意義研究的目的意義 碳納米管特殊的結(jié)構(gòu)決定了它的物理化學(xué)性質(zhì) 主要表現(xiàn)為特殊的電學(xué) 優(yōu)良 的吸附性能和機械性質(zhì) 作為一種新型的吸附劑 其優(yōu)異的吸附性能受到人們很大 的關(guān)注 Pb2 是化工生產(chǎn)廢水中一種較為常見的重金屬離子 利用多壁碳納米管來 吸附廢水中的 Pb2 是一種相對較好的處理方法 但是沒有改性的碳納米管有較高的表面能和很大的范德華力 比較容易發(fā)生團 聚從而難在基體中分散 而且表面呈化學(xué)惰性 大大阻礙了其性能的發(fā)揮 所以 對碳納米管進行適當(dāng)改性 提高它對重金屬的吸附能力來實現(xiàn)對污水進行處理顯得 特別重要 本實驗主要研究采用稀硝酸和混酸兩種不同酸酸化改性 MWCNTs 后對 吸附 Pb2 的影響 2 2 研究的內(nèi)容研究的內(nèi)容 1 混酸和濃硝酸對碳納米管進行改性 2 改性后的碳納米管對吸附 Pb2 的影響 2 3 研究目標研究目標 本論文主要研究目標是找到混酸處理碳納米管后對 Pb2 的最優(yōu)吸附條件 為處 理廢水中的 Pb2 提供理論實驗依據(jù) 2 4 實驗儀器與藥品實驗儀器與藥品 實驗儀器 TAS 986原子吸收分光光度計 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱101 1 龍口市黃城精益電爐廠 玻璃儀器氣流烘干器 中外合資深圳天南海北有限公司 低溫恒溫振蕩床 SHA 1 金壇市科析儀器有限公司 恒溫加熱水浴鍋 江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司 PHS 3D 型 PH 計 上海精密科學(xué)儀器有限公司雷磁儀器 電子天平 AUY120 Shimaozu Corporation Japan SHZ D 循環(huán)水真空泵 山東鄄城華魯電熱儀器有限公司 玻璃儀器 瑪瑙研缽 100mL 1000mL 容量瓶 250mL 點量瓶 冷凝管 移液管 燒杯等 7 表表 2 1 使用藥品使用藥品 名 稱分 子 式純 度產(chǎn) 地 氫氧化鈉NaOH 96 0 天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司 硝酸鉛Pb NO3 2優(yōu)級純天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠 碳納米管MWCNTs 97 深圳市納米港有限公司 濃鹽酸HCl 98 5 萊陽經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)精細化工廠 濃硝酸 HNO3 分析純?nèi)R陽經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)精細化工廠 濃硫酸H2SO4 分析純?nèi)R陽經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)精細化工廠 2 5 實驗方法實驗方法及過程及過程 2 5 1 濃硝酸對濃硝酸對 MWCNTs 的改性的改性 稱取 0 4gMWCNTs 加人到 100 0mLHNO3溶液中 在 80 條件下恒溫氧化 8 處 理 2h 冷卻 抽濾 將改性 MWCNTs 用超純水洗滌至中性 于 80 真空干燥 4h 研磨得到改性 MWCNTs 儲于干燥器 備用 2 5 2 混酸混酸 H2SO4 HNO3 3 1 對對 MWCNTs 進行改性進行改性 稱取 0 4gMWCNTs 放入 100 0mL 混酸 體積比為 3 1 的濃硫酸和硝酸 中 80 下油浴 冷凝回流恒溫氧化處理 2h 抽濾 將改性 MWCNTs 用超純水洗滌至 中性 80 真空干燥 4h 研磨后得到改性 MWCNTs 儲于干燥器 備用 2 5 3 含鉛廢水的配制含鉛廢水的配制 準確稱取 1 6g 優(yōu)級硝酸鉛 放入洗干凈的小燒杯中 用蒸餾水完全溶解后 轉(zhuǎn)移至 1 0L 容量瓶中 定容至刻線 搖勻待用 該系列溶液使用期限為 10 天之內(nèi) 2 5 4 濃硝酸改性后的濃硝酸改性后的 MWCNTs 對吸附對吸附 Pb2 的影響的影響 在 25 下 配制初始濃度為 20mg L 的 Pb2 溶液于 100mL 容量瓶中 加入 0 1gMWCNTs 將溶液調(diào)至 pH 5 體積 100mL 將容量瓶放入恒溫振蕩搖床中 振蕩 3h 用 0 45um 的濾膜過濾 采用原子吸收光譜儀測定濾液中的 Pb2 的濃度 2 5 5 混酸改性后的混酸改性后的 MWCNTs 對吸附對吸附 Pb2 的影響的影響 在 25 下 配制初始濃度為 20mg L 的 Pb2 溶液于 100mL 容量瓶中 加入 8 0 1gMWCNTs 將溶液調(diào)至 pH 5 體積 100mL 將容量瓶放入恒溫振蕩搖床中 振蕩 3h 用 0 45 m 的濾膜過濾 采用原子吸收光譜儀測定濾液中的 Pb2 的濃度 2 5 6 單一數(shù)實驗設(shè)計單一數(shù)實驗設(shè)計 1 時間對吸附 Pb2 的影響 在常溫下 配制七份初始濃度為 20mg L 的 Pb2 溶液于七個容量瓶中 編號 1 2 3 4 5 6 7 分別加入 0 1g 改性后的 MWCNTs 將溶液調(diào)至 pH 5 體 積 100mL 將以上七個容量瓶轉(zhuǎn)移到點量瓶中放入恒溫振蕩搖床中 分別振蕩 1h 2h 3h 4h 5h 6h 7h 用 0 45 m 的濾膜過濾 采用原子吸收光譜儀測定 濾液中的 Pb2 的濃度 2 pH 值對吸附 Pb2 的影響 在常溫下 配制七份初始濃度為 20mg L 的 Pb2 溶液于七個容量瓶 編號 1 2 3 4 5 6 7 分別加入 0 1g 改性后的 MWCNTs 于七個容量瓶中 分別 將溶液調(diào)至 PH 3 pH 4 pH 4 5 pH 5 pH 6 pH 7 pH 8 體積為 100mL 將以上七個容量瓶轉(zhuǎn)移到點量瓶中放入恒溫振蕩搖床中振蕩 3h 用 0 45 m 的濾膜過濾 采用原子吸收光譜儀測定濾液中的 Pb2 的濃度 3 MWCNTs 的加入量對吸附 Pb2 的影響 在常溫下 配制七份初始濃度為 20mg L 的 Pb2 溶液于七個容量瓶中 編號 1 2 3 4 5 6 7 分別加入 0 025g 0 05g 0 075g 0 1g 0 125g 0 15g 0 2g 改性后的 MWCNTs 將溶液調(diào) 至 pH 5 體積 100mL 將以上七個容量瓶轉(zhuǎn)移到點量瓶中放入恒溫振蕩搖床中振蕩 3h 用 0 45 m 的濾膜過濾 采用原子吸收光譜儀測定濾液中的 Pb2 的濃度 4 溫度對吸附 Pb2 的影響 在常溫下 配制七份初始濃度為 20mg L 的 Pb2 溶液于七個容量瓶中 編號 1 2 3 4 5 6 7 分別加入 0 1g 改性后的 MWCNTs 將溶液調(diào)至 pH 5 體 積 100mL 將以上七個容量瓶轉(zhuǎn)移到點量瓶中放入恒溫振蕩搖床中 溫度分別設(shè)置 為 15 20 25 30 35 45 55 振蕩 3h 用 0 45 m 的濾膜過濾 采用原子吸收光譜儀測定濾液中的 Pb2 的濃度 2 5 7 正交實驗設(shè)計正交實驗設(shè)計 考察因素及水平 9 根據(jù)以往實驗經(jīng)驗 MWCNTs 吸附時間 pH 值 MWCNTs 的加入量 溫度 和均對 MWCNTs 對 Pb2 吸附產(chǎn)生一定的影響 9 因此 本試驗將 MWCNTs 的改 性時間 pH 值 MWCNTs 的加入量以及溫度作為可變因素進行考察 每個因素各 取三個水平 表表 2 2 正交實驗設(shè)計表正交實驗設(shè)計表 因素 水平 吸附時間 hpH 值 MWCNTs 加入量 g 溫度 1240 0520 2350 125 3460 1530 2 5 8 儀器測定條件儀器測定條件 采用空氣 乙炔型火焰進行測定 測定條件 由儀器自動給出 見表 2 3 表表2 3 儀器操作條件儀器操作條件 元素?zé)綦娏?mA乙炔流量 mL min 燃燒器高度 mm波長 nm Pb6 09008 0283 3 10 第三章 實驗結(jié)果與討論 3 1 計算公式計算公式 Q 吸附率 100 C0 Ce C0 q 吸附量 C0 Ce V m 式中 C0 吸附前Pb2 的初始濃度 mg L Ce 吸附平衡時Pb2 濃度 mg L V 溶液體積 L m 吸附劑質(zhì)量 mg 3 2 標準曲線的繪制標準曲線的繪制 標準溶液的配制 鉛標準溶液配制方法 用微量移液器和吸量管分別移取濃度為 40 g mL 的鉛 標準溶液 1 250mL 2 500mL 5 000mL 10 000mL 15 000mL 于五個 100mL 容量 瓶中 用蒸餾水定容 分別得到濃度 mg L 范圍為 0 5 1 0 2 0 4 0 6 0 的鉛 標準系列溶液 3 3 標準溶液濃度和相應(yīng)的吸光度值標準溶液濃度和相應(yīng)的吸光度值 表表 3 1 標準溶液濃度和相應(yīng)的吸光度值標準溶液濃度和相應(yīng)的吸光度值 序號濃度 mg L 吸光度 標樣 1 標樣 2 標樣 3 標樣 4 標樣 5 標樣 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 鉛鉛離離子子濃濃度度 mg L 圖圖 3 1 鉛的標準曲線鉛的標準曲線 表表 3 2 線性方程和相關(guān)性系數(shù)線性方程和相關(guān)性系數(shù) 元素線性方程線性相關(guān)系數(shù) Pby 0 00521 0 0182x0 99922 3 4 濃硝酸和混酸改性后的濃硝酸和混酸改性后的 MWCNTs 對吸附對吸附 Pb2 的影響的影響 表表 3 3 濃硝酸和混酸改性后的濃硝酸和混酸改性后的 MWCNTs 的的吸附吸附 編號吸附后的 Pb2 濃度 mg L 吸附率 濃硝酸改性 混酸改性 1 014 0 371 0 949 0 982 結(jié)果與分析 在 25 下 配制初始濃度為 20mg L 的 Pb2 溶液于 100mL 容量 瓶中 分別加入 0 1g 濃硝酸和混酸改性后的 MWCNTs 將溶液調(diào)至 pH 5 體積 100mL 將容量瓶放入恒溫振蕩搖床中 振蕩 3h 用 0 45 m 的濾膜過濾 采用 原子吸收光譜儀測定濾液中的 Pb2 的濃度 由實驗數(shù)據(jù)可知 用混酸對碳納米管進 行處理比用濃硝酸的吸附效果要好 原因可能是混酸的氧化能力大于濃硝酸 10 混 酸改性后的羧基含量遠大于濃硝酸改性的 混酸改性后的 MWCNTs 的平均粒徑的 更小 MWCNTs 的團聚能力更低 體系分散的均勻性與穩(wěn)定性更強 12 3 5 單一數(shù)實驗結(jié)果與分析單一數(shù)實驗結(jié)果與分析 3 5 1 時間對吸附的影響時間對吸附的影響 表表3 4 鉛離子濃度和吸光度值鉛離子濃度和吸光度值 編號時間 t h 濃度 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 時間 h 圖圖 3 2 反應(yīng)時間對吸附率的影響反應(yīng)時間對吸附率的影響 結(jié)果與分析 在常溫下 100 0mL pH 5 20mg L的Pb2 溶液吸附不同的時間 結(jié)果如圖3 2所示 混酸處理前后的MWCNTs對Pb2 的吸附率隨著時間的增大逐漸 地增大 當(dāng)反應(yīng)時間到達3小時時吸附率隨著反應(yīng)時間的增加反倒下降 吸附率減 小應(yīng)是隨著時間的增加MWCNTs表面吸附位點逐漸達到飽和 11 少量的Pb2 能進入 13 MWCNTs管道內(nèi)部而被吸附 導(dǎo)致吸附率減小 3 5 2 反應(yīng)溫度對吸附率的影響反應(yīng)溫度對吸附率的影響 表表3 5 鉛離子濃度和吸光度值鉛離子濃度和吸光度值 編號溫度濃度 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 溫度 圖圖 3 3 反應(yīng)溫度對吸附率的影響反應(yīng)溫度對吸附率的影響 結(jié)果與分析 100 0mL pH 5 20mg L 的 Pb2 溶液在不同的反應(yīng)溫度下震蕩 吸附 3h 由圖 3 3 可以看出吸附率隨著反應(yīng)溫度的升高呈現(xiàn)先增后減小的趨勢 當(dāng) 溫度等于 25 時吸附率達到最大值 分析其原因可能是是溫度過高會對改性 14 MWCNTs 的吸附特性產(chǎn)生影響 12 從而出現(xiàn)部分解吸現(xiàn)象 因此得出 25 為 MWCNTs 最佳吸附溫度 3 5 3 溶液溶液 pH 對吸附率的影響對吸附率的影響 表表3 6 鉛離子濃度和吸光度值鉛離子濃度和吸光度值 編號pH 值濃度 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 圖圖 3 4 pH 值對吸附率的影響值對吸附率的影響 結(jié)果與分析 常溫下 100 0mL pH 5 20mg L的Pb2 溶液pH在3 0 8 0范圍 內(nèi)震蕩吸附3h 探討不同PH值對吸附效果的影響 圖3 4為酸處理MWCNTs后吸附 Pb2 的量隨pH值變化的曲線 由圖可知 混酸處理后MWCNTs對Pb2 的吸附量隨溶 液PH值的增大先增大后小 原因可能是 隨著溶液中PH值的升高 13 一些有機官 15 能團逐步電離H 使MWCNTs表面帶的負電荷增加 從而提高了MWCNTs對Pb2 的配位吸附能力 14 實驗結(jié)果顯示 在pH 5時 MWCNTs的吸附量為最大 原因 可能是在該pH條件下MWCNTs表面所攜的電荷最多 對吸附帶正電的Pb2 離子更 有利 但如果pH過高的話溶液呈膠體狀態(tài)不容易固液分離 不利于吸附劑的循環(huán) 使用 3 5 4 吸附劑投加量對鉛離子吸附率的影響吸附劑投加量對鉛離子吸附率的影響 表表 3 7 鉛標準溶液濃度和吸光度值鉛標準溶液濃度和吸光度值 編號吸附劑用量 g 濃度 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 吸附劑投入量 g 圖圖 3 5 吸附劑投入量對吸附率的影響吸附劑投入量對吸附率的影響 16 結(jié)果與分析 常溫下 pH 5 Pb2 初始濃度為 20mg L 吸附劑加入量 0 05 0 15 范圍內(nèi)震蕩吸附 3 小時 探討不同吸附劑加入量對吸附效果的影響 圖 3 5 為混酸處理后 MWCNTs 吸附 Pb2 量隨吸附劑加入量變化的曲線 由圖可以看 出在吸附劑用量 0 1g 時吸附率最大 吸附基本達到飽和值 過量的吸附劑不能夠 被充分的利用 產(chǎn)生了空余活性位置 使得吸附率逐漸降低 對吸附劑造成不必要 的浪費 因此得出 0 1g 為 MWCNTs 最佳吸附劑投入量 3 6 正交實驗結(jié)果與分析正交實驗結(jié)果與分析 表表 3 8 正交試驗結(jié)果與分析正交試驗結(jié)果與分析 因素時間 h 溫度 pH 值 吸附劑投 入量 g 吸附后濃 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 反映的是通過三水平四因素 時間 溫度 pH 吸附劑加入量 九組正 交試驗 在不同的吸附條件下 用 0 45 m 的濾膜過濾 采用原子吸收光譜儀測定 濾液中的 Pb2 的濃度 表表 3 9 正交試驗的極差分析正交試驗的極差分析 Table3 9 Range analysis of orthogonal experiments 時間 h 溫度 pH 值 吸附劑投入量 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 極差 Rang1 22661 09161 671624 7427 極差分析結(jié)果解釋如下 15 1 代表水平 1 下的各因素的試驗值加和 本課題 中即各個代號的加和 依次類推 Ki 是各個因子的水平數(shù) 極差 Rang 反映的是各 個因素對 MWCNTs 吸附 Pb2 的影響大小 根據(jù)表 2 5 正交試驗的極差分析可以看 出 所選的四個因素影響 MWCNTs 吸附 Pb2 大小的順序依次為吸附劑投入量 pH 值 時間 溫度 其中吸附劑投入量的影響最大 3 83 8 MWCNTs 吸附吸附 Pb2 的最佳條件的最佳條件 通過一系列的正交試驗 確定 MWCNTs 吸附 Pb2 的最佳吸附條件為 吸附劑 投入量為 0 1g pH 為 5 時間為 3h 溫度為 25 18 第四章 總結(jié) 4 14 1 結(jié)論結(jié)論 1 通過濃 HNO3和混酸兩種不同的酸化方法處理 MWCNTs 比較其吸附率 結(jié)果 表明用混酸法處理 MWCNTs 對于除去碳納米管中的雜質(zhì)效果更好 MWCNTs 對吸附 Pb2 的吸附率更高 可見 混酸法是改性處理 MWCNTs 的最好方法 2 由上面實驗結(jié)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 而且改性所用試劑簡單易得 成本較低 3 利用火焰原子吸收光譜法測定廢水中的 Pb2 濃度含量精密度好 準確度高 測 定結(jié)果準確 可靠 4 采用正交試驗分析不同因素對 MWCNTs 吸附 Pb2 的影響發(fā)現(xiàn) 混酸改性 MWCNTs 后吸附 Pb2 的最佳工藝條件為 吸附劑投入量為 0 1g pH 為 5 時 間為 3h 溫度為 25 4 24 2 未來展望未來展望 MWCNTs 從 1991 年由日本 NEC 公司 Iijima 發(fā)現(xiàn)并且大批量生產(chǎn)以來 因為 其獨特 14 的物化性質(zhì) 在諸多的領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注 比如說高強度碳纖維材料 催 化劑載體 儲氫材料等領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了可喜的成果 但是在環(huán)境保護的領(lǐng)域 內(nèi) MWCNTs 的應(yīng)用性研究卻剛剛起步 由此可見