（环境科学与工程专业论文）虫胶包覆磁性纳米吸附剂的合成方法及水中重金属去除研究.pdf

硕士学位论文学吸附和静电吸引的共同作用；通过透射电镜图我们发现s c m n 为核壳结构，表面粗糙，结合场发射扫描电镜图可知s c m n 粒子的粒径约为2 0n m ，壳体约5n m ；由x p s 分析可知s c m n 的主要由f e 、c 、o 构成；s c m n 及b m n ( 单纯磁性纳米粒子) 表面z e t a 电位随p h 升高而逐渐降低( 由正变负) ，等电点分别为p h = 4 6及p h = 5 0 ；s c m n 的b e t 比表面积为5 6 9 5m 2 g ；按照当前原料成本核算，s c m n的生产价格为6 7 0 美元每吨；吸附过程符合准二级动力学模型，相关系数为r 2 = 0 9 9 9 4 ；等温线数据拟合l a n g m u i r 模型和f r e u n d l i c h 模型均良好，拟合系数r 2 分别为0 9 8 3 2 和0 9 8 7 9 ，最大吸附容量为1 8 8 0m g g ；吸附平衡时间约为l h ；在p h 为3 8 范围内吸附量随p h 的升高而增加，最佳p h 为7 8 ：吸附剂的吸附过程受盐溶液的影响；该吸附剂能用低浓度的e d t a 很好的脱附，脱附效率达8 6 7 5 。本论文合成的纳米吸附剂稳定性较高，磁性较好( 饱和磁场强度为3 9 1 e m u g ) ，易于从水溶液中分离出来。关键词：虫胶；重金属；纳米吸附剂；磁性分离i i i虫胶包覆磁性纳米吸附剂的合成方法及水中重金属去除研究a b s t r a c te c o n o m i cd e v e l o p m e n tb e n e f i t st os o c i e t yw h i l ea l s ob r o u g h tp o l l u t i o n ，f o re x a m p l e ，ah u g ea m o u n to fw a s t e w a t e rd i s c h a r g e df r o mi n d u s t r i a lf a c t o r y t h ew a s t e w a t e rd i s c h a r g e df r o mp l a t i n g ，e l e c t r o n i c s ，l e a t h e r ，m i n i n ga n dm e t a l l u r g y ，c h e m i c a li n d u s t r y ，p r i n t i n g ，m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n ga n ds o m eo t h e ri n d u s t r i a lc o n t a i nl a r g eq u a n t i t i e so fh e a v ym e t a l s t h e s eh e a v ym e t a l sw o u l dg e ti n t oh u m a nb o d yo ra n i m a l sb yd r i n k i n gw a t e ro ri n g e s t i n gl i v i n gc r e a t u r ei nt h ew a t e r o nt h eo t h e rh a n d ，t h eh e a v ym e t a l sw o u l da l s og e ti n t ob o d yb yc r o p sa n dh a r mt oh u m a na n da n i m a lh e a l t hi ft h e yd i s c h a r g e di n t os o i l n e a r l yh a l fac e n t u r y ，h e a v ym e t a lp o l l u t i o no c c u r r e df r e q u e n t l y ，s u c ha s ”m i n a m a t ad i s e a s e ”，”i t a i i t a id i s e a s e ”r e c e n ty e a r sw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r yi nc h i n a ，h e a v ym e t a lp o l l u t i o nw a sa l s op e r p l e x i n gu s t h em e d i ah a v er e p o r t e dl e a dp o i s o n i n gc a s e so fc h i l d r e no rv i l l a g e r sa n dc a d m i u mp o i s o n i n gm a n yt i m e s h e a v ym e t a lp o l l u t i o nh a sb e c o m eas e r i o u sp r o b l e m w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，n a n o t e c h n o l o g yb e c a m eg r a d u a l l yv i s i b l et ou s c o m p a r e dt oc o m m o nm a t e r i a l s ，n a n o 。m a t e r i a l sp r e s e n tm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sl a r g es u r f a c ea r e a ，l o w e rm e l t i n gp o i n t ，s u p e r p a r a m a g n e t i ca n ds oo n n a n o m a t e r i a l sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d sf o rt h o s ea d v a n t a g e sa sw e l la se n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n r e c e n t l y ，m a n yr e s e a r c h e r su s e dc h e a pn a t u r a lm i n e r a la n do r g a n i cs u b s t a n c et os y n t h e s i z ee x c e l l e n ta d s o r b e n td u et ot h e i ra b u n d a n ts u p p l y ，l o wc o s t ，r e a d i l ya v a i l a b i l i t y a n ds i m p l eh a n d l i n g t h e r e f o r e ，m a g n e t i cn a n o a d s o r b e n t s ，i n c l u d i n gh e m a t i t e ，l i m o n i t e ，c h i t o s a n ，h y d r o x y a p a t i t e ，w h i c hh a v eh i g hs u r f a c ea r e a ，h i g ha d s o r p t i o nc a p a c i t ya n ds e p a r a t ec o n v e n i e n c ec a nb ep r e p a r e du s i n gt h e s ec h e a pn a t u r a lm a t e r i a l sa n da p p r o p r i a t em e t h o d s t oe n h a n c et h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yo fh e m a t i t ea n do t h e rm a g n e t i cn a n o a b s o r b e n t ，m a n yr e s e a r c h e r su s e do r g a n i cs u b s t a n c ec o n t a i n i n gf u n c t i o n a lg r o u p sc o a t e dm a g n e t i cn a n o p a r t i c l e st of o r mn e wa d s o r b e n t t h i sm e t h o dc a ng r e a t l yi n c r e a s et h ea d s o r p t i o ns i t e so fa d s o r b e n t f o ri n s t a n c e ，t h em a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sc o a t e dw i t hc h i t o s a nw a su s e da sag r e a tn a n o a d s o r b e n tf o rr e m o v i n gh e a v ym e t a lr e s u l t i n gf r o mc h i t o s a nc o m p l e x a t i n gw i t hh e a v ym e t a li o n sf o rt h ef u n c t i o n a lg r o u p ss u c ha sc a r b o x y l ，h y d r o x y l ，a m i n o t h eu s eo fn a t u r a lm i n e r a l sa n dn a t u r a lo r g a n i ct os y n t h e s i sn e wa d s o r b e n t sh a sb e c o m eah o tr e s e a r c ht o p i c i v硕士学位论文i nt h i st h e s i s ，w eh a v eu s e ds h e l l a cm o d i f i e dm a g n e t i ci r o no x i d ea n do b t a i n e dan e wa d s o r b e n tc a l l e ds h e l l a cc o a t e dm a g n e t i cn a n o a d s o r b e n t ( s c m n ) f u r t h e r m o r e ，w eh a v ea l s ou s e df o u r i e rt r a n s f o r ms p e c t r o m e t e r ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y( s e m ) ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) ，e n e r g yd i s p e r s i v ex _ r a ys p e c t r o m e t e r ( e d x ) ，z e t as i z e ra n dn a n os e r i e se q u i p p e dw i t ham i c r o p r o c e s s o ru n i t ，n i t r o g e na d s o r p t i o nb e ts u r f a c ea r e aa n dp o r es i z ed i s t r i b u t i o nt e s t e ra n dv i b r a t i o ns a m p l em a g n e t i cf i e l dm e t e ri n s t r u m e n t st oc h a r a c t e r i z et h ea d s o r b e n t ，a n dh a v eac o s te v a l u a t i o nf o rt h es c m n m o r e o v e r ，w eh a v et a k e nc a d m i u ma sa ne x a m p l et oe x p l o r et h ep o s s i b i l i t yo fh e a v ym e t a li o n s w eh a v ei n v e s t i g a t e dt h ef a c t o r s ，w h i c hm a ya f f e c tt h ea d s o r p t i o no fh e a v ym e t a li o n ss u c ha sp h ，c o n t a c tt i m e ，s a l tc o n c e n t r a t i o n ，e t c w ea l s os t u d i e dt h ed e s o r p t i o no fa d s o r b e n ta n ds t a b i l i t yo fs c m ni ns o u l u t i o n e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h es h e l l a cm o d i f i e dm a g n e t i cn a n o - a d s o r b e n tc a ne f f e c t i v e l yr e m o v ec a d m i u mi o n f u r t h e r m o r e ，w ec a nc o n c l u d et h a tt h ea d s o r p t i o nm e c h a n i s mb e t w e e ns c m na d s o r b e n ta n dc a d m i u m ( i i ) w a se l e c t r o s t a t i ca t t r a c t i o na sw e l la sc h e m i s o r p t i o n s f r o mt h et e mp h o t oa n ds e mp h o t o sw ek n o ws c m na d s o r b e n t sw e r ec o r e s h e l ls t r u c t u r e t h es i z eo fs c m na n dt h et h i c k n e s so fs h e l l a cs h e l lw e r ea b o u t2 0n ma n d5n m ，r e s p e c t i v e l y x p sa n a l y s i ss h e ws c m nm a i n l yc o m p o s e do ff e ，ca n do t h ez e t ap o t e n t i a lo fs c m na n db m n ( b a r em a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s ) d e c r e a s e dw i t hi n c r e a s eo fp hg r a d u a l l y ( f r o mp o s i t i v et on e g a t i v e ) ，t h ei s o e l e c t r i cp o i n ta r ep h = 4 6a n dp h = 5 0 ，r e s p e c t i v e l y t h eb e ts p e c i f i cs u r f a c ea r e ao fs c m ni s5 6 9 5m 2 g ；p r o d u c t i o np r i c eo fs c m ni s $ 6 7 0p e rt o ni na c c o r d a n c ew i t ht h ec u r r e n tr a wm a t e r i a lc o s t t h ea d s o r p t i o np r o c e s s e sf i t t e dp s e u d o f i r s t o r d e rm o d e lw e l l c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ti sr z = 0 9 9 9 4 ；a d s o r p t i o ni s o t h e r m sd a t ao fs h e l l a cm o d i f i e dm a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sw e r ew e l lf i t t e db yb o t hl a n g m u i rm o d e la n df r e n u d l i c hm o d e l t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ti sr 2 = 0 9 8 3 2a n dr 2 = 0 9 8 7 9r e s p e c t i v e l y t h em a x i m u ma b s o r p t i o nc a p a c i t yi s18 8 0m g g t h ee q u i l i b r i u mt i m ei sa b o u to n eh o u r t h ea d s o r b a n c ei n c r e a s e dw i t ht h er i s eo fp hw h e nt h ep hi s3 8 t h eo p t i m a lp hi s7 8 t h ea d s o r bp r o c e s si n f l u e n c e db ys a l ts o l u t i o n m o r e o v e r ，t h ea d s o r b e n tc a ne a s i l yd e s o r b e db yl o wc o n c e n t r a t i o n so fe d t as o l u t i o n ，t h ed e s o r p t i o ne f f i c i e n c yw a s8 6 7 5 t h ea d s o r b e n ts y n t h e s i si nt h i st h e s i sh a sg r e a ts t a b i l i t y ，m a g n e t i s mi sw e l l ( s a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o ni s3 9 1e m u g ) a n dc a ne a s i l ys e p a r a t e df r o ma q u e o u ss o l u t i o nk e yw o r d s ：s h e l l a c ；h e a v ym e t a l ；n a n o a d s o r b e n t ；m a g n e t i cs e p a r a t i o nv硕士学位论文图2 1图2 2图2 3图2 4图2 5图2 6图2 7图2 8图2 9图2 10图3 1图3 2图3 3图3 4图3 5图3 6图3 7图3 8图3 9图3 10图3 1 1图3 12图3 13附图索引本章研究思路框架图2 2虫胶化学结构2 3s h e l l a c 、b m n 及s c m n 红外光谱图2 7b m n 及s c m n 扫描电镜图2 9s c m n 透射电镜图3 0s c m n 的e d x 光谱图3 2s c m n 吸附镉离子后的e d x 光谱图3 2s c m n 及b m n 的z e t a 点位图一3 3s c m n 及b m n 的磁滞曲线3 4s c m n 从水中分离效果示意图3 5本章研究思路框架图3 8初始p h 对s c m n 及b m n 吸附镉离子影响关系图4 3接触时间对吸附的影响关系图4 4准一级动力学拟合线性图4 4准二级动力学拟合线性图4 5粒内扩散模型拟合图4 5s c m n 的吸附等温线图一4 7b m n 的吸附等温线图4 8s h e l l a c 的吸附等温线图4 8s c m n 吸附镉离子前后傅里叶红外光谱对照4 9x 射线光电子能谱一5 0氯化钠对s c m n 及b m n 吸附镉离子的影响关系图5 2s c m n 用量与s c m n 对镉离子吸附量关系图5 3i x虫胶包覆磁性纳米吸附剂的合成方法及水中重金属去除研究附表索引现代纳米科技的发展主要历程2实验试剂一览表2 5实验仪器一览表2 5s c m n 吸附剂吸附镉离子前后元素变化对比3 1s c m n 成本核算表3 52 0 0 9 年活性炭出口价格走势分析3 6实验试剂一览表4 1实验仪器一览表4 1动力学参数4 6s c m n 及b m n 吸附等温式参数4 9s c m n 吸附剂的脱附效率5 4不同条件下s c m n 吸附剂中t o c 及铁离子的浸出率5 5x1l2345123456122222333333表表表表表表表表表表表表硕士学位论文第1 章绪论1 1 纳米科技的发展及应用1 1 1 纳米科技的定义纳米科技( n a n o s t ) 是指在纳米尺度( 1n m 1 0 0n m 之间) 上研究物质( 包括分子、原子的操纵) 的特性和相互作用，以及利用这些特性服务于人类的多学科交叉性综合技术。当物质小到纳米级时( 1 1 0 0n m ) 时，其界面效应、量子效应、巨大的表面及物质的局域性使物质的许多性能发生变化，呈现出很多既不同于单个微观孤立体，也不同于宏观物体的奇异现象。1 1 2 纳米科技的发展史纳米技术的灵感，起源于一个被认为是继爱因斯坦之后最为睿智的天才物理学家理查德费曼的大胆设想。1 9 5 9 年，诺贝尔奖获得者( 时任加州理工大学教授) 在加州理工大学作了一篇名为在底部还有很大空间的演讲。在这次演讲中这位教授向他的同事们提出了一个新的想法。在费曼看来，人类社会现在的生产方式总是“从上而下”的，他提出：“为什么我们不可以从单个分子、甚至原子开始出发，进行组装，以达到我们的要求? 至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”1 2 1 费曼预言，人类可以利用小的机器来制作更小的机器，最后将演变成根据人类的意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米科技最早的梦想。这个过于大胆的想法，在当时并没有引起人们足够的重视。而在4 0 年后开始热遍地球的纳米技术，要实现的正是这一梦想，从分子甚至是原子开始，制造产品。分子、原子实在太小，微电子科学所使用的微米不足以满足衡量原子的要求，于是，微米的千分之一纳米( n a n o ) 诞生了。n a n o 来源于拉丁文前缀，意思为矮小，l n m 相当于10 个h 并排起来的长度，或者d n a 双螺旋结构的半径。事实上，人工制备纳米材料的历史至少可以追溯到一千年以前。当时，中国人利用蜡烛燃烧产生的烟雾制成炭黑，作为墨汁的原料或者着色染料，科学家将其誉为最早的纳米材料。中国古代铜镜表面的防锈层是由二氧化锡颗粒构成的薄膜，但遗憾的是当时人们并不知道这些材料是由肉眼无法看到的纳米小颗粒组成的。直到现代科技的发展才是人们认识到这一切。现代纳米科技的发展主要历程如表1 1i i - 2 l 所示。虫胶包覆磁性纳米吸附剂的合成方法及水中重金属去除研究表1 1现代纳米科技的发展主要历程据中国中科院官方透露，中科院在“十二五规划中，已经把纳米科技列入重点支持的创新领域之一。1 1 3 纳米科技的应用随着纳米科技的发展，如今纳米技术已在很多领域得到广泛应用。如环保、生物医药和健康卫生、军事、结构件、电子器件、纺织、化工、航天、农业、能源等等领域。下面我们对纳米科技在其中几个领域的应用做简单介绍。1 1 3 1 纳米科技在环保方面的应用( 1 ) 在废水处理方面的应用目前，利用纳米技术开发的各种纳米材料广泛应用于处理水中各种污染物，硕士学位论文包括重金属、染料、环境激素、有机农药、放射性元素、砷、汞等环境污染物。它们当中绝大多数很难降解，像重金属、砷、汞等不能在环境中降解，它们可能会在不同的化学形态之间相互转换但其毒性依然存在。利用吸附的方式将不能降解污染物从水中分离出来及具有光学催化性能的纳米材料催化降解有机污染物会是一个不错的选择。在纳米吸附剂方面，2 0 0 9 年s h e n 等【3 】人利用共沉淀方法合成磁性纳米f e 3 0 4去除水中的n i ( i i ) 、c u ( i i ) 、c d ( i i ) 和c r ( v i ) 离子，并对影响其吸附效果的因素( 包括p h 、接触时间、温度、纳米吸附剂的粒径和用量等) 做了详细研究，其吸附效果良好。2 0 1 0 年l u o 等【4 】人利用天然埃洛石制成纳米管吸附中性红，其在2 9 8 k条件下最大吸附容量可达5 4 8 5m g g ，在3 1 8 k 条件下可达6 5 4 5m g g 。其吸附容量是同类非纳米尺度吸附剂无法比拟的。在纳米光催化剂方面，据报道t i 0 2 s i 0 2 负载型复合光催化剂对有机磷农药具有光催化活性及高效吸附性，能使有机磷农药迅速在其表面富集。随着光照时间的延长，有机磷农药的光解率逐渐升高，光照8 0 分钟后试验用敌百虫可完全降解。另据文献报道纳米t i 0 2 在5 0 0w 紫外线高压汞灯照射下光催化氧化十二烷基磺酸钠( s d b s ) ，经过5 小时，c o d 去除率达到9 1 以上l5 。( 2 ) 在尾气处理方面的应用最新研究表明，复合稀土化合物的纳米级粉体有极强的氧化还原性能，这是其他任何汽车尾气净化催化剂所不能媲美的。以活性炭为载体、纳米z r l 2 c e l 2粉体为催化活性体的汽车尾气净化催化剂6 ，7 1 ，由于z r 4 + z r 3 + ：c e 4 + c e 3 + 电极对的存在使其具有很强的氧化还原性，加上纳米材料的比表面积大、吸附能力强、空间悬键多，使该催化剂在氧化c o 的同时还氧化n o x ，将这两种大气污染物转化成对环境无害的c o z 和n 2 。此外，以5 5 7 0n m 的c o t i 0 3 作为催化活体，a 1 2 0 3 或多孔硅胶陶瓷作为载体的为石油脱硫催化剂，经该催化剂催化的石油中硫的含量小于0 0 1 嘣引。以纳米n i o 作为催化剂催化烃油氢化裂解、加氢脱硫，也具有很高的脱硫效率( 3 ) 在噪声防治方面的应用采用溶胶一凝胶方法制备的气凝胶是一种密度非常低的多孔性材料，因其孔洞率极高，可达9 0 以上，使其气凝胶的最低密度仅为5 0k g m 3 。气凝胶内部的无数细微孔隙孔径分布集中在2 0n m 左右。气凝胶内的纳米孔隙间彼此贯通，并且通过表面与外界相通。由于气凝胶内部丰富、纤细的纳米孔及纳米网络结构有效地延长了噪声的传播，巨大的内表面形成无数的界面使噪声的来回反射次数成倍增加，有效地起到了隔声减噪作用。1 1 3 2 纳米科技在医学方面的应用虫胶包覆磁性纳米吸附剂的合成方法及水中重金属去除研究纳米科技在医学方面的应用是一个非常重要的方面，它很可能帮助人类攻克很多医学难题。科学家们利用纳米科技开发出了药物纳米载体技术、基因输送纳米载体等新型医疗技术。( 1 ) 药物载体一般的治疗药物都存在毒副作用，而抗肿瘤药物则更是存在严重的全身性毒副作用。而药物纳米载体技术具有药物控制释放、高度靶向、提高难溶药物的溶解率和吸收率提高药物疗效和降低毒副作用的优点，使得局部病变的靶向治疗得以实现。药物纳米载体技术是将药物分子吸附在纳米颗粒表面或者包埋在其中，以纳米颗粒作为药物运输载体；也可以在颗粒表面偶联特异性靶向分子，如单克隆抗体、特异性配体等，通过靶向分子与细胞表面特异性受体结合，在细胞的摄取作用下进入细胞内部，实现安全有效地靶向性药物治疗。国内外已有大量文献报道了该技术。武汉理工大学李世普教授在体外试验中发现2 0 8 0a m 的纳米羟基磷灰石材料具有杀死癌细胞的功能【9 1 。a l i n as h a p i r a 等【1 0 1 人认为利用纳米医学靶向治疗癌症可以克服药物的排异反应。2 0 0 4 年m i n an i k a n j a m 及其合作者【l u合成了一种纳米低密度脂蛋白作为靶向药物载体用于治疗多形性胶质母细胞瘤。该纳米低密度脂蛋白是一种较好的纳米载体，容易被低密度脂蛋白受体接受，效果非常好。艾滋病是一种让全世界人为之恐惧的疾病，因为至今未找到针对治疗该种病行之有效的方法。u m e s hg u p t a 和n a r e n d r ak j a i n l l 2 】的研究认为非聚合艾滋病治疗药物纳米载体( 如脂质体、固体脂质纳米粒、醇质体、脂质纳米胶囊等)可以靶向治疗艾滋病，为根绝h i v 病毒提供了契机。( 2 ) 基因载体随着人类基因学的发展，基因治疗将成为疾病治疗的重要手段。基因的输送可以用载体来完成，目前常用的基因载体为病毒类。虽然病毒基因治疗系统表达水平高，但是没有特异选择性，副作用较多，如体内野生型病毒生成、致癌性、细胞病理改变等问题。这些问题还需进一步研究加以确认。纳米粒子作为基因载体具有一些突出的优点：纳米粒子能够浓缩、包覆、保护核苷酸，避免其遭核酸酶的分解；生物亲和性良好，比表面积大，易于在表面偶联特异性靶向分子，以此实现基因治疗的特异性；让核苷酸缓慢释放，有效地延长作用时间，并维持有效地产物浓度，提高转染效率和转染产物的生物利用度；在循环系统中的循环时问明显延长，在一定时间内并不像普通颗粒那样迅速的被吞噬细胞清楚；代谢产物少，副作用轻，免疫排斥反应小等。2 0 10 年w a n g 等人3 】成功研制出了第四代树枝状聚酰胺基因纳米载体用于靶向治疗治疗乳腺癌，小鼠试验结果表明该方法对乳腺癌治疗效果很明显。c h r i s t i n ego s t e r 等人【1 4 】利用可生物降解的阳离子支聚酯制成的d n a 纳米载体对d n a 的释放效果良好。( 3 ) 导向药物硕士学位论文在靶向药物治疗中磁导向给药系统占了较大的比例，磁靶向给药系统( m a g n e t i ct a r g e t e dd r u g ss y s t e m ) 是一种新的靶向给药系统。该给药系统是由药物、磁铁粒子载体及骨架材料组成的。药物可以在外加磁场的引导下通过静脉、动脉导管和给药或直接注射等途径选择性地到达病灶部位，并且以受控的方式从载体中释放，然后在病灶组织的细胞和亚细胞水平上发挥药效作用，对正常组织无影响或者影响较小。载药磁性微粒在磁场的导向作用下形成的是物理靶向，所以它能够克服在体内输送过程中遇到的各种生理屏障，从而显示出其特有的优越性，和以往药物剂型相比具有无可比拟的低毒、高效、高滞留性等特点。中南大学湘雅医学院龚连生等人【1 5 】利用磁性化疗纳米粒治疗大鼠移植性肝癌，其效果明显优于无外加磁场时肝动脉注射磁性阿霉素白蛋白纳米粒治疗方法，其效果更是肝动脉注射游离阿霉素治疗方法无法比拟的。1 1 3 3 纳米科技在军事方面的应用随着雷达探测技术的发展，提高战斗机的隐身效果成为世界各国军事迫切需要。在飞行器表面涂抹纳米吸波材料成为一个重要手段，以此减少武器系统遭受红外制导导弹和激光武器的袭击。此外，将纳米a 1 2 0 3 、纳米s i 0 2 、纳米t i 0 2 、纳米f e 2 0 3 的纳米复合粉体添加到纤维当中制成军服提供给部队使用，可以很好的屏蔽士兵身体发射出的红外线。既可以提高衣服的保暖性又可以在夜间红外探测仪的探测，保障了自身安全，同时衣服的质量还减轻了3 0 t 1 6 j 。如果在衣物纤维内加上纳米抗菌剂还可保障士兵的身体健康。1 1 4 纳米材料的物理特性( 1 ) 热学性能纳米材料的熔点、热导性、比热、热膨胀性都与该物质在整体状态时有所不同。1 9 5 4 年t a k a g i 1 7 】最先在实验上用透射电子显微镜观察到纳米材料熔点的降低。为什么随着粒度的减小熔点会降低呢? 从原子的角度来看，随着粒度的减小，特别是在达到纳米尺度时，晶界大大的增加，晶界上的原子之间的结合不如体内原子间那样紧密，因而促使纳米晶易于融化。纳米材料的热膨胀会与晶体材料的不同，是因为晶粒度进入纳米级后，晶界大大增加，这必然影响到原子间的结合和围绕着晶格平衡点的振动，从而影响到热膨胀性能。( 2 ) 磁学性能纳米微粒小到一定临界值时便会进入超顺磁状态，例如o c f e 、f e 3 0 4 及仅f e 2 0 3粒径分为5n m 、1 6n m 、2 0n m 。超顺磁状态的起源可贵为以下原因：在小尺寸下，当个小异性能减小到与热运动能可相比拟时，磁化方向就不再固定在一个易磁化一虫胶包覆磁性纳米吸附剂的合成方法及水中重金属去除研究方向，易磁化方向作无规律的变化，结果导致超顺磁的出现。( 3 ) 光谱性能纳米材料的表面效应和量子尺寸效应对纳米微粒的光学特性有很大的影响，使纳米微粒具有同样材质的非纳米块体物理体所不具有的新的光学光谱特性，主要表现为量子限域效应、宽频带强吸收、红移和蓝移现象和纳米微粒的发光【5 1 。1 2 水环境重金属污染的现状及治理方法1 2 1 我国水环境重金属污染现状近年来，随着工业的发展电镀，电子，皮革，采矿和冶金，化工，印刷，机械制造等一些工业释放的重金属越来越多。一些河流和湖泊水资源受到严重污染。而重金属能够通过饮水和饮食进入人体或者动物体内并破坏人体和动物健康。重金属是指密度大于5g c m 3 的金属，自然界约有4 5 种，其中我们所知的有铅、汞、镉、铬、铜、铊、镍等。我国水环境重金属污染问题十分严重，江河湖库底质的污染率高达8 0 1 嘣1 8 , 1 9 】。2 0 0 3 年松花江、淮河、黄河、辽河等十大流域的流域片区重金属超标断面的污染程度全部为超v 类。2 0 0 4 年太湖底泥中总铅、总镉、总铜含量均处于轻度污染水平。苏州河中铅全部超标，汞为6 2 5 超标，镉为7 5 超标【1 9 1 ；葫芦岛市乌金塘水库钼污染问题严重，钼浓度最高超标准值13 7 倍。黄浦江干流表层沉积物中镉含量超过背景值两倍，铅含量超过一倍，汞含量明显增加。城市河流有3 5 1 1 的河段出现总h g 超过地表水i i i 类标准，1 8 4 6 的河段面总镉超i i i 类标准，2 5 的河段有总铅的超标样本出现。由珠江，黄河，长江等河流携带入海的重金属污染物总量约为3 4 万吨，对海洋水体的污染危害巨大。全国近岸海域海水采样品中铅的超标率达6 2 9 ，最大值超一类海水标准4 9 0 倍；铜的超标率为2 5 9 ，镉和汞的含量也有超标现象。大连湾6 0 测站沉积物的镉含量超标，锦州湾部分测站排污口邻近海域沉积物锌、镉、铅的含量超过第三类海洋沉积物质量标准【”j 。湘江作为湖南的母亲河，沿江城市多从湘江取水作为饮用水，但重金属污染是湘江最明显的特征，其污染由来已久，1 9 6 6 年检测出砷、铅、铬、锰、锌，1 9 7 1年部分江段饮用水重金属超标，同年1 1 月衡阳发生了我国环境史上第一次因饮用水重金属超标而停水数天的严重事件；1 9 7 8 年，中科院地理研究所研究表明，湘江已成为国内污染最严重的河流之一【2 0 1 。目前，湘江污染己对沿江流域4 千万人口的饮用水安全构成严重威胁，以长沙市为例，2 0 0 7 年饮用水源地水质达标率仅6 0 9 ，在其上游人口密集区段，如湘潭市区江段、松柏和衡阳江段、株洲霞湾港，饮用水安全也不容乐观【2 。硕士学位论文作为我国第二大的淡水湖的太湖，是江苏和浙江许多城市的饮用水水源地。同时也是一个重要的废水受纳水体，但现实表明太湖水质不容乐观。2 0 11 年3 月袁和忠等2 2 1 人对太湖底泥进行了采样测试，结果表明铜、锌、铅、铬和锰含量均超标，其中铅和铬严重超标。重金属超标严重威胁到该地区居民身体健康，继续采取必要的措施以减轻该地区的污染负荷，以消除重金属污染所带来的不良后果。以上事件充分表明我国水体重金属污染严重，部分地区饮用水水源受到重金属污染，严重危害的居民身体健康。重金属污染问题亟待解决。1 2 2 重金属的危害目前重金属污染是危害最大的水体污染问题之一。通常重金属通过金属冶炼、矿山开采、化石燃料的燃烧、金属加工及化工生产废水、施用农药化肥和生活垃圾等人为污染源，以及地质侵蚀、风化等天然源形式进入水体。重金属在环境中存在毒性大、不易被生物代谢、具有生物累积性，而且其还可以通过生物链的方式呈现出生物放大性。重金属不仅污染水体环境，同时也对水生生物及人类生存构成了一定的威胁。众所周知，发生在日本富山县神通川流域的“骨痛病”是由于当地居民长期饮用受镉污染的河水，并食用此水灌溉的含镉稻米，致使镉在体内蓄积而造成肾损害，进而导致骨软症。不久前发生在湖南浏阳市的镉污染事件导致该区大面积土壤和水体环境受到污染并致使多人死亡。镉及镉的化合物均有较大的毒性。镉中毒分急性中毒和慢性中毒，吸入氧化镉的烟雾可引起急性中毒。中毒早期表现咽喉疼痛、咳嗽、胸闷气短、头晕恶心、全身酸痛乏力、发热等症状，严重者可出现化学性肺炎或中毒性肺水肿，有较明显的呼吸困难、胸痛、咳出大量泡沫血色痰，可因急性呼吸衰竭而死亡。用镀镉的器皿存放或调制酸性饮料或食物，饮食中会含镉，误食后也会引起急性镉中毒。潜伏期较短，通常1 0 - - - 2 0m i n 后，即可发生恶心、呕吐、腹痛、腹泻等症状。严重者会同时伴有头晕、大汗、上肢感觉迟钝、虚脱、甚至出现抽搐和休克。一般需经3 5 天方可恢复。长期吸入镉或镉的化合物可引起慢性中毒，导致肾脏损害，主要表现为尿液中含有大量低分子蛋白质，肾小球的滤过功能虽然多属正常，但。肾小管的回收功能却减退，并且尿液中镉的排出增加。肾脏和肝脏是人体蓄积镉的两大器官，两者所含的镉约占体内镉总量的6 0 ，其余分布于胰、肺、睾丸、毛发、甲状腺等处。由于镉在肾脏中的蓄积量大而且半衰期长，致使镉对肾脏的危害相当的大，严重者可出现肾功能不全【23 。镉的体内排出速度非常慢，人肾皮质镉的生物学半衰期是10 3 0 年。同时，镉还可引起高血压，导致心血管和脑血管疾病，破坏了骨钙质。国外也有报导接触氧化镉的虫胶包覆磁性纳米吸附剂的合成方法及水中重金属去除研究工人前列腺癌发病率较高。1 2 3 重金属治理方法目前以开发利用的去除重金属的方法有很多，大致可以分为一下三类：第一类为物理方法，即在不改变重金属化学形态的前提下进行吸附、浓缩、分离的方法。如溶剂萃取、离子交换、膜过滤、吸附【2 4 , 2 5 】、反渗透 2 5 , 2 6 】、超滤 2 7 , 2 8 】和蒸馏等；第二类为化学方法，即通过氧化还原反应将重金属离子转化为无毒、毒性更小或者可分离，或可利用的形态，这一方法会改变重金属的化学形态。如化学沉淀、离子浮选1 2 4 , 2 5 】、电化学处理【2 矾、浮选、絮凝2 8 1 和高分子重金属捕集剂法等；第三类为生物吸附法，即通过植物和微生物代谢的方式去除重金属。如生物吸附【2 引、植物修复等。在这些方法中化学沉淀应用最广泛，但是沉淀分离较困难，通常采用过滤或者浮选的方式去除；生物吸附耗时；溶剂萃取很难分离出溶质。电化学和反渗透处理过程操作复杂而且投资较大。吸附因其成本低而被视为最常用的方法之一，操作简单没有二次污染。近年来，与其他技术相比吸附技术呈现出了极大地优势。1 2 4 吸附法处理重金属吸附法处理重金属，主要是指利用固体吸附剂的物理吸附和( 或) 化学吸附性能，去除或降低废水中的重金属的过程。固体性吸附剂能够有效去除废水中多种污染物，尤其是其它方法难以有效处理的剧毒和难生物降解的污染物，经该方法处理后的出水比较稳定且出水水质较好，故而吸附法在水处理中应用较为广泛。1 2 4 1 吸附类型的分类介绍按照吸附剂与吸附质之间的作用力性质的不同可将吸附大致分为三类。第一类为物理吸附，即为范德华力引起吸附剂与吸附质之间的吸附作用。如本实验小组【2 9 】利用磁性多壁碳纳米管吸附阳离子染料，其吸附机理就是碳纳米管的多壁层与阳离子染料之间的静电作用和范德华力引起的。物理吸附具有以下的特点：1 ) 是放热反应；2 ) 没有特定的选择性；3 ) 物理吸附的动力来自于分子问引力，吸附力较小，因而在较低温度下就可以进行；4 ) 被吸附的物质由于分子的热运功会脱离吸附剂表面而自由转移，吸附质在吸附剂表面可以较易解吸。5 )影响吸附的主要因素是吸附剂的比表面积。第二类为化学吸附，即为吸附剂表面基团吸附质基团之间的化学键( 如氢键、络合作用等) 产生的吸附作用。p 6 r e z 3 0 】等人合成了z n a l e d t a ( z n a 1 双层氢氧化物与e d t a 的反应产物) 用于吸附c u 2 + 、c d 2 + 和p b 2 + ，其作用机理是双层结构中的e d t a 与重金属离子的螯合作用。与物理吸附不同化学吸附具有以下特点：硕士学位论文1 ) 吸附热大，相当于化学反应热；2 ) 有选择性；3 ) 化学吸附比较稳定，当吸附的化学键力较大时，吸附反应为不可逆；4 ) 吸附剂表面的化学性能、吸附质的化学性质以及温度条件等对化学吸附具有较大的影响。第三类为离子交换吸附，即通过吸附剂内部离子与吸附质之间发生交换的方式而吸附。吸附质的离子由于静电引力聚集到吸附剂表面的带电点上，同时吸附剂表面原先固定在这些带电点上的其他离子被置换出来，等于吸附剂表面放出一个等当量离子。离子所带电荷越多，吸附越强。电荷相同的离子，其水化半径越小，越易被吸附。如y u a nf e n g 3 1 1 等人合成的纳米羟基磷灰石用于水中镉和锌的去除，其吸附机理就是通过纳米羟基磷灰石中的钙离子与镉离子和锌离子进行交换而被吸附。s a e e d 等【3 2 1 人利用绿豆壳吸附镉离子，其吸附机理是c a 2 + 、m 9 2