MWCNTs的不同改性方法對(duì)吸附金屬離子的影響.doc

I MWCNTs 的不同改性法對(duì)吸附金屬離子的影響 摘 要 近年來 隨著社會(huì)的工業(yè)發(fā)展 有毒重金屬對(duì)環(huán)境的污染嚴(yán)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(jī)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(duì)吸附金屬離子的影響 同時(shí)系統(tǒng)論述了國(guó)內(nèi)外關(guān)于金 屬離子廢水處理方法的研究進(jìn)展 結(jié)合多方面因素 運(yùn)用混酸 濃硝 酸兩種不同的酸改性方法分別對(duì)同一金屬離子進(jìn)行吸附 然后采用單 一數(shù)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 再根據(jù)正交試驗(yàn)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(duì)吸附金 屬離的影響較大 而且吸附率也最高 2 正交試驗(yàn)結(jié)果表明 不同因素對(duì) 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(shí)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(guó)內(nèi)外廢水中金屬離子的處理方法第一章關(guān)于國(guó)內(nèi)外廢水中金屬離子的處理方法 2 1 1 重金屬?gòu)U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(jià)改性法 5 1 3 金屬離子含量的測(cè)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(shí)驗(yàn)研究的目的意義及方案設(shè)計(jì)第二章實(shí)驗(yàn)研究的目的意義及方案設(shè)計(jì) 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(biāo) 6 2 4 實(shí)驗(yàn)儀器與藥品 6 2 5 實(shí)驗(yàn)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(duì)吸附 Pb2 的影響 7 2 5 5 混酸改性后的 MWCNTs 對(duì)吸附 Pb2 的影響 7 ii 2 5 6 單一數(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 8 2 5 7 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 8 2 5 8 儀器測(cè)定條件 9 第三章實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論第三章實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 10 3 1 計(jì)算公式 10 3 2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 10 3 3 標(biāo)準(zhǔn)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(duì)吸附 Pb2 的影響 11 3 5 單一數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 12 3 5 1 時(shí)間對(duì)吸附的影響 12 3 5 2 反應(yīng)溫度對(duì)吸附率的影響 13 3 5 3 溶液 pH 對(duì)吸附率的影響 14 3 5 4 吸附劑投加量對(duì)鉛離子吸附率的影響 15 3 6 正交實(shí)驗(yàn)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(xiàn)參考文獻(xiàn) 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(jī)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(diǎn)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(shì) 這些優(yōu)勢(shì)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(duì)各種農(nóng)藥 多環(huán)芳烴 除草劑 有機(jī)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(duì)吸附機(jī)理越來越多的理解 可以根據(jù)目標(biāo)化合物的特性來對(duì)碳納米管的表面特 性進(jìn)行改性優(yōu)化 從而提高對(duì)于特定污染物的吸附率 自 1991 年碳納米管問世以來 其獨(dú)特的結(jié)構(gòu) 電學(xué) 優(yōu)異的力學(xué)和優(yōu)良的儲(chǔ) 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(jiǎn)單 易大規(guī) 模的工業(yè)化生產(chǎn) 目前對(duì)它的研究更加受到研究者的鐘愛 然而因?yàn)?MWCNTs 表 面能高 很容易發(fā)生纏繞和團(tuán)聚 不能夠溶于一般的有機(jī)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(xiàn)報(bào)道 但卻較少有對(duì)不同氧化體系的 處理效果展開較細(xì)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(jiǎn)單 容易實(shí)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(duì)碳納米管分別進(jìn)行改性 2 實(shí)驗(yàn)證明 對(duì) 于改性后的碳納米管吸附廢水中的金屬離子 用混酸對(duì)碳納米管進(jìn)行處理比用濃硝 酸更有效 本實(shí)驗(yàn)著重研究混酸改性碳納米管使其對(duì) Pb2 進(jìn)行吸附 研究其對(duì) 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(shí)驗(yàn)依據(jù) 2 第一章第一章 關(guān)于國(guó)內(nèi)外廢水中金屬離子的處理方法 1 1 重金屬?gòu)U水的處理方法和研究現(xiàn)狀重金屬?gòu)U水的處理方法和研究現(xiàn)狀 目前 重金屬?gòu)U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?gòu)U水中加堿后進(jìn)行的中和反應(yīng) 使得重金屬生成氫氧化物沉淀而 進(jìn)一步分離 這種方法操作起來簡(jiǎn)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(duì)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(jià)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(jià)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(huì)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(diǎn)是分離方法簡(jiǎn)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(shí)間較長(zhǎng) 而處理后鹽度高 不能單獨(dú)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(jià)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(jià)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(jià)態(tài) 轉(zhuǎn)換 最后再沉淀去除 在實(shí)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(shí)需要考慮試劑的廣泛來源性和經(jīng)濟(jì)性 3 5 電化學(xué)處理 廢水和電源的正負(fù)極相互接觸發(fā)生氧化還原反應(yīng) 當(dāng)對(duì)重金屬進(jìn)行廢水電解的 時(shí)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(jī)相或者水相中溶解度的不同 使重金屬濃縮到有機(jī)相中 進(jìn)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(jìn)行交換 從而達(dá)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(duì)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(fèi)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(huì)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(dá)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(jìn)行絮凝沉淀 生物絮 凝劑安優(yōu)點(diǎn)是安全無毒 不會(huì)造成二次污染 在水處理中有非常廣泛的應(yīng)用前景 缺點(diǎn)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(jià)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(qiáng)的重金屬離子會(huì)對(duì)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(dá)的根須來對(duì)重金屬進(jìn)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(shì) 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(duì)碳納米管表面進(jìn) 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(jìn)行 改性的方法主要包括超聲波改性 共價(jià)改性非以及共價(jià)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(dòng) 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(tuán) 聚 使碳納米管和溶液充分的接觸 讓金屬粒子能有機(jī)會(huì)附著在碳納米管的表面 超聲波對(duì)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(duì)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(huì)變差 影 響了催化劑的性能 單獨(dú)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(duì)碳納米管的改性 1 2 2 共價(jià)改性法共價(jià)改性法 共價(jià)改性法主要是用共用電子對(duì)對(duì)碳納米管來進(jìn)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(tuán) 從而有利于活性組分的負(fù)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(tuán) 使親水性 大大增加 同時(shí)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(duì)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(jìn)行化學(xué)修飾 通過對(duì)酸處理 產(chǎn)生的酰氯化 含氧基團(tuán)進(jìn)行酰胺化等反應(yīng)來接上功能基團(tuán) 此改性方法包括有機(jī) 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(jià)改性法非共價(jià)改性法 非共價(jià)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(jià)相互作用來對(duì) 碳納米管側(cè)壁進(jìn)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(shí)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(jī)分子 改性 1 3 金屬離子含量的測(cè)定方法金屬離子含量的測(cè)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(cè)元素的基態(tài)原子特征輻射線的吸收程度來進(jìn)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(jī)滴定劑和無機(jī)滴定劑 1 3 3 質(zhì)譜法質(zhì)譜法 質(zhì)譜法 8 是使待測(cè)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(cè)的一種分析方法 檢測(cè)限可達(dá)到 10 15 10 12mol 數(shù)量級(jí) 6 第二章 實(shí)驗(yàn)研究的目的意義及方案設(shè)計(jì) 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(jī)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(duì)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(tuán) 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(duì)碳納米管進(jìn)行適當(dāng)改性 提高它對(duì)重金屬的吸附能力來實(shí)現(xiàn)對(duì)污水進(jìn)行處理顯得 特別重要 本實(shí)驗(yàn)主要研究采用稀硝酸和混酸兩種不同酸酸化改性 MWCNTs 后對(duì) 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(duì)碳納米管進(jìn)行改性 2 改性后的碳納米管對(duì)吸附 Pb2 的影響 2 3 研究目標(biāo)研究目標(biāo) 本論文主要研究目標(biāo)是找到混酸處理碳納米管后對(duì) Pb2 的最優(yōu)吸附條件 為處 理廢水中的 Pb2 提供理論實(shí)驗(yàn)依據(jù) 2 4 實(shí)驗(yàn)儀器與藥品實(shí)驗(yàn)儀器與藥品 實(shí)驗(yàn)儀器 TAS 986原子吸收分光光度計(jì) 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(jì) 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(diǎn)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(jí)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(yáng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)精細(xì)化工廠 濃硝酸 HNO3 分析純?nèi)R陽(yáng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)精細(xì)化工廠 濃硫酸H2SO4 分析純?nèi)R陽(yáng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)精細(xì)化工廠 2 5 實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法及過程及過程 2 5 1 濃硝酸對(duì)濃硝酸對(duì) 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(chǔ)于干燥器 備用 2 5 2 混酸混酸 H2SO4 HNO3 3 1 對(duì)對(duì) MWCNTs 進(jìn)行改性進(jìn)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(chǔ)于干燥器 備用 2 5 3 含鉛廢水的配制含鉛廢水的配制 準(zhǔn)確稱取 1 6g 優(yōu)級(jí)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(duì)吸附對(duì)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(cè)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(duì)吸附對(duì)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(cè)定濾液中的 Pb2 的濃度 2 5 6 單一數(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)單一數(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 1 時(shí)間對(duì)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(gè)容量瓶中 編號(hào) 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(gè)容量瓶轉(zhuǎn)移到點(diǎn)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(cè)定 濾液中的 Pb2 的濃度 2 pH 值對(duì)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(gè)容量瓶 編號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 分別加入 0 1g 改性后的 MWCNTs 于七個(gè)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(gè)容量瓶轉(zhuǎn)移到點(diǎn)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(cè)定濾液中的 Pb2 的濃度 3 MWCNTs 的加入量對(duì)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(gè)容量瓶中 編號(hào) 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(gè)容量瓶轉(zhuǎn)移到點(diǎn)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(cè)定濾液中的 Pb2 的濃度 4 溫度對(duì)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(gè)容量瓶中 編號(hào) 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(gè)容量瓶轉(zhuǎn)移到點(diǎn)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(cè)定濾液中的 Pb2 的濃度 2 5 7 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 考察因素及水平 9 根據(jù)以往實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn) MWCNTs 吸附時(shí)間 pH 值 MWCNTs 的加入量 溫度 和均對(duì) MWCNTs 對(duì) Pb2 吸附產(chǎn)生一定的影響 9 因此 本試驗(yàn)將 MWCNTs 的改 性時(shí)間 pH 值 MWCNTs 的加入量以及溫度作為可變因素進(jìn)行考察 每個(gè)因素各 取三個(gè)水平 表表 2 2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表 因素 水平 吸附時(shí)間 hpH 值 MWCNTs 加入量 g 溫度 1240 0520 2350 125 3460 1530 2 5 8 儀器測(cè)定條件儀器測(cè)定條件 采用空氣 乙炔型火焰進(jìn)行測(cè)定 測(cè)定條件 由儀器自動(dòng)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(zhǎng) nm Pb6 09008 0283 3 10 第三章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 3 1 計(jì)算公式計(jì)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(shí)Pb2 濃度 mg L V 溶液體積 L m 吸附劑質(zhì)量 mg 3 2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制 鉛標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)溶液 1 250mL 2 500mL 5 000mL 10 000mL 15 000mL 于五個(gè) 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(biāo)準(zhǔn)系列溶液 3 3 標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度和相應(yīng)的吸光度值標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度和相應(yīng)的吸光度值 表表 3 1 標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度和相應(yīng)的吸光度值標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度和相應(yīng)的吸光度值 序號(hào)濃度 mg L 吸光度 標(biāo)樣 1 標(biāo)樣 2 標(biāo)樣 3 標(biāo)樣 4 標(biāo)樣 5 標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)曲線鉛的標(biāo)準(zhǔn)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(duì)吸附對(duì)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(hào)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(cè)定濾液中的 Pb2 的濃度 由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知 用混酸對(duì)碳納米管進(jìn) 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(yuǎn)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(tuán)聚能力更低 體系分散的均勻性與穩(wěn)定性更強(qiáng) 12 3 5 單一數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析單一數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 3 5 1 時(shí)間對(duì)吸附的影響時(shí)間對(duì)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(hào)時(shí)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(shí)間 h 圖圖 3 2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)吸附率的影響反應(yīng)時(shí)間對(duì)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(shí)間 結(jié)果如圖3 2所示 混酸處理前后的MWCNTs對(duì)Pb2 的吸附率隨著時(shí)間的增大逐漸 地增大 當(dāng)反應(yīng)時(shí)間到達(dá)3小時(shí)時(shí)吸附率隨著反應(yīng)時(shí)間的增加反倒下降 吸附率減 小應(yīng)是隨著時(shí)間的增加MWCNTs表面吸附位點(diǎn)逐漸達(dá)到飽和 11 少量的Pb2 能進(jìn)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(duì)吸附率的影響反應(yīng)溫度對(duì)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(hào)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(duì)吸附率的影響反應(yīng)溫度對(duì)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(shì) 當(dāng) 溫度等于 25 時(shí)吸附率達(dá)到最大值 分析其原因可能是是溫度過高會(huì)對(duì)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(duì)吸附率的影響對(duì)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(hào)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(duì)吸附率的影響值對(duì)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(duì)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(duì)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(jī)官 15 能團(tuán)逐步電離H 使MWCNTs表面帶的負(fù)電荷增加 從而提高了MWCNTs對(duì)Pb2 的配位吸附能力 14 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示 在pH 5時(shí) 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(duì)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(duì)鉛離子吸附率的影響吸附劑投加量對(duì)鉛離子吸附率的影響 表表 3 7 鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度和吸光度值鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度和吸光度值 編號(hào)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(duì)吸附率的影響吸附劑投入量對(duì)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(shí) 探討不同吸附劑加入量對(duì)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(shí)吸附率最大 吸附基本達(dá)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(duì)吸附劑造成不必要 的浪費(fèi) 因此得出 0 1g 為 MWCNTs 最佳吸附劑投入量 3 6 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 表表 3 8 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析正交試驗(yàn)結(jié)果與分析 因素時(shí)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(shí)間 溫度 pH 吸附劑加入量 九組正 交試驗(yàn) 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(cè)定 濾液中的 Pb2 的濃度 表表 3 9 正交試驗(yàn)的極差分析正交試驗(yàn)的極差分析 Table3 9 Range analysis of orthogonal experiments 時(shí)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(yàn)值加和 本課題 中即各個(gè)代號(hào)的加和 依次類推 Ki 是各個(gè)因子的水平數(shù) 極差 Rang 反映的是各 個(gè)因素對(duì) MWCNTs 吸附 Pb2 的影響大小 根據(jù)表 2 5 正交試驗(yàn)的極差分析可以看 出 所選的四個(gè)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(shí)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(yàn) 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(shí)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(duì)于除去碳納米管中的雜質(zhì)效果更好 MWCNTs 對(duì)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(shí)驗(yàn)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(jiǎn)單易得 成本較低 3 利用火焰原子吸收光譜法測(cè)定廢水中的 Pb2 濃度含量精密度好 準(zhǔn)確度高 測(cè) 定結(jié)果準(zhǔn)確 可靠 4 采用正交試驗(yàn)分析不同因素對(duì) 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(shí) 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?yàn)?其獨(dú)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(qiáng)度碳纖維材料 催 化劑載體 儲(chǔ)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(hù)的領(lǐng)域 內(nèi) MWCNTs 的應(yīng)用性研究卻剛剛起步 由此可見