酸堿度及金屬離子濃度對(duì)納米二氧化鈦的物性影響

1、酸堿度及金屬離子濃度對(duì)納米二氧化鈦的物性影響周靜怡（同組：陳建平）1(1.北京建筑大學(xué) 環(huán)131 201303040110，北京市大興區(qū)黃村鎮(zhèn)永源路15號(hào)102616）摘要：隨著納米科技的迅速發(fā)展，納米材料廣泛應(yīng)用于人類日常生產(chǎn)生活中。裝修材料中的納米二氧化鈦即可殺菌防霉，又可降解有機(jī)污染物；處理水污染問題時(shí)使用納米二氧化鈦可以對(duì)重金屬離子進(jìn)行混凝吸附效應(yīng)，達(dá)到去除重金屬離子的結(jié)果。而在什么條件下用納米二氧化鈦與環(huán)境中污染物的相互作用效率較高的研究并不多。本文針對(duì)不同酸堿度、金屬離子類型、結(jié)合時(shí)間、金屬離子濃度對(duì)納米二氧化鈦的物性影響進(jìn)行了一系列的研究，得出pH在不同時(shí)間下其作用產(chǎn)物的粒徑與Z

2、eta電位。關(guān)鍵詞：重金屬、納米二氧化鈦、吸附、粒徑、Zeta電位Abstract: With the rapid development of nanotechnology, Nano materials are widely used in our daily life. The decoration materials in nanometer titanium dioxide can be bactericidal, and degradation of organic pollutants. Nano TiO2 was found to treat pollution problem

3、 due to its coagulation adsorption effect and show great effect to remove heavy metal ions. However, there were few research on the interaction of high efficiency for pollutants and nanometer titanium dioxide in different environmental conditions. The particle size and Zeta potential of TiO2 nanopar

4、ticles were measured under different water conditions including pH, concentration of metal ions and binding time.Key words: Heavy metal; Nano titanium dioxide; Adsorbent; Particle size; Zeta potential1 引言納米二氧化鈦是一種應(yīng)用非常廣泛的納米材料，裝修材料中的納米二氧化鈦即可殺菌防霉，又可降解有機(jī)污染物；處理水污染問題時(shí)使用納米二氧化鈦可以對(duì)重金屬離子進(jìn)行混凝吸附效應(yīng)，達(dá)到去除重金屬離子的結(jié)果。

5、而在不同水化學(xué)條件下用納米二氧化鈦與環(huán)境中污染物的相互作用效率較高的研究并不多。本研究目的為：探索納米二氧化鈦在不同pH下，與不同金屬離子的不同濃度下的反應(yīng)產(chǎn)物的物理性質(zhì)（如粒徑、表面電位），為其在環(huán)境中的影響提供理論依據(jù)，并為后續(xù)的研究探尋好方向1-2。2 實(shí)驗(yàn)2.1 實(shí)驗(yàn)藥品納米二氧化鈦溶液、NaCl、NaOH、HCl、Cu(NO3)2·3H2O、K2Cr2O7、Pb(NO3)2、Zn(NO3)2·6H2O以上均為分析純?cè)噭?，以及去離子水。2.2 實(shí)驗(yàn)方法2.2.1 配置實(shí)驗(yàn)試劑用250mL容量瓶分別配置5mg/mL的Cr2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+溶液。稱取5.

6、85gNaCl分析純晶體配置0.001mol/mL的NaCl溶液。配置0.1mg/mL的TiO2溶液。分別取0.5mL含Cr2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+溶液（均為5mg/mL）、0.05mLNaCl溶液（0.001mol/mL），配置成50mL混合溶液，將pH分別調(diào)至約為：3/4/5/6/7/8/9/10。分別取0.5mL含Cr2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+溶液（均為5mg/mL）、0.05mLNaCl溶液（0.001mol/mL），配置成50mL混合溶液，調(diào)節(jié)pH至3。分別配置50mL Cr2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+0.1/0.3/0.5/0.7/0.9/1/10/100

7、ug/ml的相應(yīng)溶液、并與0.05mLNaCl溶液（0.001mol/mL）混合，調(diào)節(jié)pH至73。2.2.2檢測(cè)分析在用Zeta Size分析儀送樣檢測(cè)前，取1.5ml配置好的納米二氧化鈦試劑于配好的試劑中，混合均勻后立即裝至樣品池中進(jìn)行檢測(cè)其粒子粒徑與Zeta電位。3 結(jié)果與結(jié)論3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果3.1.1 不同pH下各金屬離子對(duì)納米二氧化鈦的影響（1）不同pH下，Cr2+對(duì)納米二氧化鈦的物性影響pH3.134.135.156.237.048.078.949.93粒徑（nm）1186138.4123.8128.4127.8123.4122.1127.0Zeta電位（mv）0.239-22.3-

8、31.4-33.2-35.2-34.3-35.1-39.6（2）不同pH下，Pb2+對(duì)納米二氧化鈦的物性影響pH3.154.024.945.976.918.108.979.95粒徑（nm）557.9130.4129.5132.6131.7134.7133.3134.4Zeta電位（mv）-12.8-27.0-34.2-33.7-37.5-35.6-38.6-36.1（3）不同pH下，Zn2+對(duì)納米二氧化鈦的物性影響pH3.274.285.026.117.128.219.069.96粒徑（nm）404.2124.1130.6133.1138.1133.3130.5130.4Zeta電位（mv）-

9、13.60.0960-32.1-33.5-34.1-32.0-37.2-34.3（4）不同pH下，Cu2+對(duì)納米二氧化鈦的物性影響pH3.163.965.135.957.127.939.0610.09粒徑（nm）1041153.9122.9124.0125.5128.4127.4130.8Zeta電位（mv）-4.400.698-29.8-33.9-35.4-0.555-0.395-0.278由以上四組數(shù)據(jù)可推斷pH小于等于3時(shí)，粒徑為最大，而pH>4時(shí)粒徑變小且趨于穩(wěn)定。3.1.2 不同結(jié)合時(shí)間下各金屬離子對(duì)納米二氧化鈦的影響（1）溶液pH=3時(shí)Cr2+對(duì)納米二氧化鈦的物性影響Cr2+

10、0min3min6min9min12min15min18min21min24min27min粒徑（nm）216.6230.2253.2276.8318.5406.8410.9551.5694.8819.9Zeta電位（mv）-16.6-17.6-18.4-19.4-18.6-18.6-19.9-19.0-18.3-18.7（2）溶液pH=3時(shí)Pb2+對(duì)納米二氧化鈦的物性影響Pb2+0min3min6min9min12min15min18min21min24min27min粒徑（nm）228.8257.1323.9452.2618.4787.9951.7112011541388Zeta電位（mv

11、）-16.2-18.1-18.0-16.7-16.4-16.7-17.2-15.5-15.9-16.2（3）溶液pH=3時(shí)Zn2+對(duì)納米二氧化鈦的物性影響Zn2+0min3min6min9min12min15min18min21min24min27min粒徑（nm）229.6248.7304.6338.3399.2562.4551.6666.2760.6847.5Zeta電位（mv）-16.1-17.8-19.6-17.6-17.4-17.1-16.5-17.2-17.0-16.2（4）溶液pH=3時(shí)Cu2+對(duì)納米二氧化鈦的物性影響Cu2+0min3min6min9min12min15min1

12、8min21min24min27min粒徑（nm）245.2318.6410.4464.2643.3730.3913.2998.011171363Zeta電位（mv）-15.4-16.4-16.7-17.5-16.4-16.1-16.6-16.7-15.2-14.73.1.3重金屬濃度對(duì)納米二氧化鈦的物性影響（1）溶液pH=7時(shí)Cr2+濃度對(duì)納米二氧化鈦的物性影響Cr2+（ug/ml）0.10.30.50.70.9110100粒徑（nm）134.0134.8139.4143.0146.5130.5132.3130.0Zeta電位（mv）-31.5-31.9-34.0-35.6-33.9-33.

13、8-33.5-34.6（2）溶液pH=7時(shí)Cu2+濃度對(duì)納米二氧化鈦的物性影響Cu2+（ug/ml）0.10.30.50.70.9110100粒徑（nm）143.0144.2143.8146.0146.5128.2129.4127.9Zeta電位（mv）-25.1-31.5-30.9-34.2-35.2-18.9-34.9-32.9（3）溶液pH=7時(shí)Pb2+濃度對(duì)納米二氧化鈦的物性影響Pb2+（ug/ml）0.10.30.50.70.9110100粒徑（nm）143.2143.3144.2141.6142.4134.9147.0148.1Zeta電位（mv）-34.5-35.5-34.0-3

14、5.4-37.3-34.1-35.5-35.1（4）溶液pH=7時(shí)Zn2+濃度對(duì)納米二氧化鈦的物性影響Zn2+（ug/ml）0.10.30.50.70.9110100粒徑（nm）145.1145.5144.7149.1146.2143.7144.7144.6Zeta電位（mv）-33.8-35.6-35.0-36.1-36.3-30.9-36.6-34.5以上四大組數(shù)據(jù)差異不大。3.2結(jié)果分析3.2.1 溶液pH對(duì)納米二氧化鈦的物性影響由于各種金屬離子在不同pH值溶液中會(huì)發(fā)生不同程度的電離作用，從而影響納米二氧化鈦表面的雙電層特性，繼而影響其顆粒絮凝程度。因此，我們首先研究了不同金屬離子在不同

15、pH值時(shí)對(duì)納米二氧化鈦的影響，通過實(shí)驗(yàn)3.1.1數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)其變化趨勢(shì)相同，即僅在pH=3時(shí)影響最大（Cu2+在pH較高的時(shí)候其Zeta電位有波動(dòng)現(xiàn)象），在其他pH值時(shí)影響甚微，故將pH=3時(shí)的情況又單獨(dú)進(jìn)行試驗(yàn)3-5。3.2.2 不同結(jié)合時(shí)間對(duì)納米二氧化鈦的物性影響我們根據(jù)文獻(xiàn)查得這四種金屬離子在溶液pH>4時(shí)均會(huì)發(fā)生不同程度的水解，影響其在水中的金屬離子濃度，從而對(duì)納米二氧化鈦的影響不大。而當(dāng)溶液pH控制在3左右時(shí)，溶液中金屬離子主要以離子形式存在，進(jìn)而納米二氧化鈦與其發(fā)生作用，產(chǎn)生絮凝。對(duì)實(shí)驗(yàn)3.1.2進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及分析，不難發(fā)現(xiàn)，初始納米二氧化鈦粒徑幾乎一致，隨著時(shí)間變化，其粒徑均

16、在持續(xù)上升，其中Cu2+與Pb2+對(duì)其影響更大，但是Zeta電位并沒有明顯的變化，但是可以看出其有上升趨勢(shì)?？梢酝茰y(cè)，金屬離子可以促進(jìn)納米二氧化鈦的絮凝。查金屬活動(dòng)性順序，Zn、Cr、Pb、Cu的電勢(shì)能A/V分別為：-0.762、-0.744、-0.126、+0.342，可知，Cu與Pb的金屬活動(dòng)性不強(qiáng)，其對(duì)應(yīng)水溶液離子則表現(xiàn)為氧化性，在pH=3條件下促進(jìn)溶液水解電離，從而影響納米二氧化鈦表面雙電子層特性，繼而促進(jìn)了其絮凝256。3.2.3不同金屬離子濃度對(duì)納米二氧化鈦的物性影響對(duì)實(shí)驗(yàn)3.1.3進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及分析，在pH接近7時(shí)，不同金屬離子濃度對(duì)納米二氧化鈦的影響不大，建議后續(xù)實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究

17、強(qiáng)酸性及強(qiáng)堿性環(huán)境下的不同因素對(duì)納米二氧化鈦物性的影響。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在pH=3時(shí)，金屬離子的濃度也會(huì)影響粒徑的大小，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)3.1.1中金屬離子溶液是用5ml移液槍取的，而3.1.2中金屬離子溶液是用1ml移液槍取的，而兩組實(shí)驗(yàn)pH=3的數(shù)據(jù)相差較大，具體原因需更多實(shí)驗(yàn)來證明7-8。4 結(jié)論與展望通過測(cè)定不同金屬離子在不同pH下對(duì)納米二氧化鈦的粒徑以及Zeta電位，研究結(jié)果表明，不同金屬離子在pH=3溶液條件下，可以迅速使納米二氧化鈦溶液產(chǎn)生絮凝，其中Cu2+與Pb2+對(duì)其影響更大，主要表現(xiàn)在其絮凝速率更快。因此可得出，金屬離子在一定程度上影響了納米二氧化鈦的物理性質(zhì)，促進(jìn)其產(chǎn)生絮凝

18、，降低了納米材料的比表面積，從而導(dǎo)致吸附能力下降?？梢酝普?，納米材料會(huì)與金屬離子發(fā)生作用，在pH<3時(shí)納米材料更易與金屬離子結(jié)合。粒徑大小與pH值、結(jié)合時(shí)間、金屬離子濃度及種類有關(guān)。Zeta電位大小與粒徑及金屬離子種類有關(guān)2-3。致謝：本次科技活動(dòng)得到了研二學(xué)姐王明秀的大力支持，在此過程中學(xué)姐指導(dǎo)我們完成了實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)部分，并為我提供了論文的修改意見。參考文獻(xiàn)：1 史躍崗.二氧化鈦納米顆粒粒徑影響因素的研究D.大連理工大學(xué)，2008.122 劉艷靜.納米SiO2對(duì)Pb2+污染水源水混凝過程的影響A.環(huán)境工程學(xué)報(bào)，Vol.9，No.10,2015 3 Influence of Ionic Strength, pH, and