开题报告 改性纳米二氧化硅制备重金属离子吸附剂的研究.doc

毕业设计(论文)开题报告题 目： 改性纳米二氧化硅制备重金属离子 吸附剂的研究 学 院： 应用技术学院 专 业： 应用化学 学生姓名： 夏江南 学 号： 200913300108 指导教师： 许 律 2013年 3月25日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括1篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。4统一用A4纸，并装订单独成册，随毕业设计（论文）说明书等资料装入文件袋中。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。改性二氧化硅制备重金属离子吸附剂的研究文献综述一、引言随着经济的快速发展，冶炼、电解电镀、医药、染料等企业每年都要排放大量含重金属离子的工业废水，它们通过土壤、水、空气，尤其是食物链，对人类的身心健康产生了严重危害。由于重金属污染物很难被分解和破坏，一旦排入环境将导致永久性污染。因此，工业废水的处理问题日益引起了国内外科研工作者的关注，人们对处理这类污染物十分谨慎和重视，并且正在积极探索各种有效的治理途径。常见的治理方法包括化学沉淀法、离子交换法、反渗透法、膜过滤法和吸附法等，其中吸附法作为重金属离子工业废水处理应用中一种重要的物理化学方法，因其成本低、效果好、可操作性强而被广泛应用。从广义上来讲，一切固体物质的表面都具有吸附作用，但实际上只有具有很大比表面并且具有相应活性的多孔材料才有着明显的吸附作用，可用作吸附剂。所选择的吸附材料要达到工业应用的要求，就需要其吸附能力强、吸附选择性好、易再生、机械强度好、化学稳定性好且价廉易得。在重金属废水处理过程中，应用的吸附材料有木质素类和壳聚糖类等生物质类吸附材料、黏土和沸石等地质类材料、聚乙烯基树脂和硅胶基树脂等合成类材料。二、 重金属离子吸附材料重金属离子吸附材料是一类快速发展的新材料，它可以高度选择性地吸附重金属离子，常见的吸附材料包括无机和有机两种。重金属离子吸附材料可以与重金属离子形成螫合物，并具有选择吸附性好、吸附速度快、吸附容量大、化学稳定性好、机械强度高等特点，是在离子交换树脂基础上发展起来的一类功能材料。本文将从几种高性能吸附材料的应用与开发展开综述。2.1 活性炭 活性炭是一种较早地应用于生产纯净水的吸附材料。活性炭吸附量和去除率均较大，能处理大多数重金属。目前，活性炭对金属离子的吸附机理被认为主要是金属离子在活性炭表面的离子交换吸附。同时还有重金属离子与活性炭表面的含氧官能团之间的化学吸附、金属离子在活性炭表面沉积而发生的物理吸附。但Mohant1却不这么认为。他认为如果活性炭对金属离子的吸附中离子交换占主导作用。那么被吸附与被解吸附的金属离子之比应约等于1，而目前的研究结果则与此是严重背离的。因此他认为活性炭对重金属的吸附不仅仅是一个简单的离子交换过程。活性炭上各种活性位点对重金属的吸附也是一个重要的原因。同时，金属阳离子和活性炭表面的阴离子间的静电引力也起了一定的作用。也有学者认为活性炭对重金属的吸附表现为一种表面络合现象。活性炭颗粒表面各种含羟基的基团与溶液中离子的各种形态形成表面络合而将其吸附。 活性炭作为一种优良的吸附剂，今后其对重金属的去除研究可以沿着以下方面进行：一是活性炭对单一金属离子的吸附研究，而活性炭对多种金属离子共存时的吸附研究则少见于文献中。而在实际的重金属废水中往往是多种金属离子共同存在。因此活性炭对多种金属离子共存时的吸附研究有着重要的现实意义。二是活性炭的再生成本高，针对于这样的情况，研究者们主要着手两方面的研究：研究如何将活性炭从形状、组成等方面改性以得到更好的处理效果，研究如何从原材料方面人手以得到更便宜的活性炭，从而降低处理废水的成本。目前，颗粒活性炭、粉状活性炭、活性炭纤维、炭分子筛、含碳的纳米材料等相继问世，这些吸附剂具有制备简单、操作简单、效率高、可多次循环等优点，可以作为理想的更新换代产品。另外，也可以将微生物固定化于活性炭上，来延长活性炭的饱和时间，同时也利用生物吸附来处理重金属废水。目前已经有学者开始了这方面的研究，实验结果显示将微生物固定化于活性炭上后对金属离子有良好的去除效果。2.2 矿物吸附材料 矿物作为处理重金属离子的吸附剂种类有很多，包括天然沸石、粘土矿物等。2.2.1天然沸石天然沸石是以四面体立体结构存在的铝硅酸盐，它的多孔结构特征使其具有优异的催化、离子交换和吸附性能。因而被广泛应用于石油化工：土壤改良、废水处理等领域。其中，斜发沸石的利用价值最高，它对很多重金属离子如：Cd2+、Cu2+、Pb2+、Zn2+等选择交换能力很高，其中对Ph2+和Cd2+的交换能力最高。MSBerber-Mendoza2等利用斜发沸石吸附废水中的Pb2+和Cd2+，结果表明，斜发沸石对Pb2+的吸附量大于对Cd2+的吸附量。当离子浓度和沸石一定时，溶液的PH值越大，越有利于吸附；溶液温度在15一35范围内，温度越高，沸石的吸附容量越大。许多研究者还发现，沸石的选择性与离子交换能力，取决于对沸石的预处理方法。Alhrio Cincotti3等将斜发沸石与Na+交换后处理废水中的Cd2+、Cu2+、Pb2+和Zn2+。研究结果表明。通过离子交换改性后的沸石对四种金属离子的吸附能力都有所提高。这可能由于Na+相对于沸石本身晶格中的离子如K+、Mg2+、Ca2+等与重金属离子的交换能力更高的缘故。2.2.2粘土矿物粘土矿物也是一种优良的天然吸附材料，具有高比表面、高负电荷及高的离子交换性能。在作为吸附材料的粘土矿物中。膨润土是研究的较多的一种。它是以蒙脱石为主要矿物成分，蒙脱石是一种层状铝硅酸盐类矿物，其单位晶胞系由硅氧四面体和铝氧八面体按2：1组成的晶层在晶层内存在广泛的同晶置换使晶层中产生永久性负电荷，这样层间可通过吸附阳离子来达到电荷平衡。独特的结构使得膨润土具有优良的离子交换能力和吸附性能。目前大量的相关研究主要集中在用改性膨润土处理含重金属的废水。潘嘉芬等4对膨润土进行加热改性来处理废水中的Pb2+、Cd2+和Ni2+，结果表明当加热温度达到400时，处理效果最好，高于未改性的膨润土和活性炭。而且使用过的膨润土污泥可用来制水泥和制砖，达到循环利用。莫伟5考查了广西宁明的膨润土对水中Cu2+的吸附能力，研究显示了宁明膨润土对Cu2+的吸附速率快，吸附平衡时间短，单位质量吸附量随温度、溶液初始Cu2+浓度及一定范围内溶液初始pH值的提高而增加；吸附动力学特性符合准二级动力学模型，等温吸附特性可以Langmuir等温方程描述。除了膨润土，高岭土、凹凸棒石粘土等也是作为处理重金属废水的重点研究对象6-7。由此可见，价格低廉的矿物材料。若能在工艺条件上加以改进无疑在废水处理中可代替价格较贵的活性炭，发挥更大的作用。2.3工农业废弃物 为了进一步降低处理废水的成本，近年来。很多国内外学者把注意力转向一些工农业废弃物，希望可以变废为宝。2.3.1工业废弃物 工业废弃物如燃煤电厂排放的粉煤灰、工业污泥、肥料业产生的Fe(OH)3，等都可以用来处理重金属废水，其中研究较多的是粉煤灰。粉煤灰是从烧煤粉的锅炉烟气中收集的粉状灰粒，因细度小且比表面积高而具有一定的莺金属吸附能。彭荣华等8在粉煤灰中加入一定量的硫铁矿烧渣和适量的NaCl，在90下用硫酸废液搅拌浸取后再在300下进行焙烧。经改性后粉煤灰对电镀废水中的Cr6+、Pb2+、Cu2+以及Cd2+的去除率高于97.5，达到国家排放标准。另外，对比实验后发现改性粉煤灰对金属离子的去除率比未改性粉煤灰高，原因在于粉煤灰中含有较多类似于活性炭的残碳，用酸在较高温度下浸提可使其表面和微孔内粗糙，显著增加了其比表面积；另外，粉煤灰中的金属氧化物与硫酸反应后生成的硫酸盐使其改性后又具有混凝性能。胡友彪9等考查了pH值、浓度、吸附时间及粉煤灰颗粒大小对重金属废水吸附性能的影响，结果显示酸度对粉煤灰处理重金属离子的去除率有较大影响，每一金属离子的去除都有一个自身适宜的pH值范围；随着废水浓度的减小，吸附时间的延长，粉煤灰对金属离子的去除率逐渐增大。粒径较小的粉煤灰对金属粒子的吸附性能比较好，粉煤灰的投加量以灰水比l：10为宜。2.3.2农业废弃物农业废弃物如稻壳、麦麸、甘蔗渣、锯屑、坚果壳、植物的枝干等都是重点的研究对象。只要对这些废弃物加以处理就可以达到吸附重金属离子的目的。研究者们注意到对废弃物的预处理、pH值、吸附温度以及溶液浓度等处理对效果影响很大。Kumar10等发现利用不同方法处理的稻壳对Cd2+的吸附能力也不尽相同：用水冲洗、用NaOH浸泡和用NaHCO3，浸泡后对Cd2+的最大吸附量分别为8.58、20.24和16.18mg/g。研究人员将云南玉溪的烟草茎用去离子水处理后，在100下烘干。筛成加40-60目来吸附水中的Pb2+。考查了温度、溶液浓度、pH值、吸收剂用量以及接触时间对吸附过程的影响。结果显示，在溶液PH=5，299K时，使用8g烟草茎分别处理Pb2+浓度为lO、30和50mgL的溶液，接触时间为120分钟，吸附量可以分别达到94.37、92.10和90.43。该吸附过程是自发吸热过程，可以用Freundlich模型来描述。使用工农业废弃物作为废水处理的吸附剂，既有原料价廉易得、工业操作简单等优点，而且可解决废水废渣的环境污染以及回收再利用的问题，达到以废治废的目的，具有明显的经济效益和社会意义。2.4分子筛及纳米材料除了天然的吸附材料，近年来分子筛和纳米材料在吸附重金属离方面也倍受青睐。2.4.1 分子筛蒋佰坤11等研究了13X分子筛去除废水中镍离子，结果表明：当废水pH5，Ni2+浓度200mgL，吸附时间为30min，按镍与分子筛质量比为l：50进行处理，镍离子的去除率可达到99以上，处理后废水均达到工业排放标准。居沈贵等12通过正交水平实验对13X分子筛吸附锌离子条件进行优化。考察了锌离子浓度、温度和溶液的pH值对锌离子吸附容量的影响。结果表明锌离子浓度影响最大，温度次之。溶液的pH值影响最小。采用XRD对13X分子筛吸附锌离子的结构变化进行表征，分析表明，其吸附过程中发生了锌离子与13X分子筛内钠离子的交换。2.4.2 纳米材料纳米材料是近年发展起来的一种新型功能材料。由于其颗粒尺寸的微细化。使得纳米粉体在保持原有化学性质的同时，还在磁性、光学、催化、化学活性、吸附等方面表现出奇异的性能，因此倍受人们的关注。纳米微粒的表面修饰已形成了一个研究领域，通过对纳米微粒表面的修饰，可以达到改善或改变纳米粒子的分散性；提高微粒表面活性；使微粒表面产生新的物理化学 、机械性能及新的功能；改善纳米粒子与其它物质之间的相容性。 应用于金属离子吸附的纳米材料主要有各种纳米氧化物、碳纳米管等。尹洪喜等13等研究纳米二氧化钛吸附溶液中镉离子的有效方法和途径，通过实验确定了吸附的最佳条件，样品体系在pH=10，震荡时间9min以上的条件下，纳米二氧化钛对镉离子的吸附率可达99，并且吸附在纳米二氧化钛上的镉离子可以用0.1molL的硝酸进行洗脱，洗脱率在95以上。姜虎生等14从吸附时间、温度、溶液的pH值方面考查了纳米氧化锌对废水中重金属混合液(Cu2+和Cd2+)吸附的影响。研究结果表明：吸附时间为15min、温度50、pH为6时，达到了最佳吸附条件，对Cu2+、Cd2+吸附率分别为98.3和98.6。纳米吸附材料相对于矿物吸附材料以及工农业废弃物成本较高，但是纳米材料的可再生性能又是其不可忽略的个优点。3 小结 在重金属废水的处理中，吸附法具有材料便宜易得，成本低，去除效果好而且不会产生二次污染的特点。在实际运用中需要考虑的问题是选择最合适的吸附材料，所以现阶段，开发廉价新型的吸附剂是研究的主要目标。选材因素可从材料的适用性、材料的价格、材料的吸附效果、材料的可再生性等方面考虑。此外，吸附法处理重金属离子的许多研究工作还处于实验室阶段，需要更深入的研究，以便更好地为工业生产服务。参考文献1 Mohan D，Chander SSingle component and multicomponent adsorption of metal ions by activated carbonColloids and Surfaces，2001(177)：183196 2 Mafia Selene BerberMendoza，Koberto Leyva-Ramos，Pedro AlomoDavilaJovita Mendoza-Barton.Effect of pH and temperature on the ionexchange isotherm of Cd(II)and Pb(II) on clinoptilolite Chemical Technology and Biotechnology，2006， 81：966-9733 潘嘉芬,卢杰.天然及改性膨润土吸附废水中Pb2+、Ni2+、Cd2+的试验研究.中国矿业， 2008(03):89-934 Alberto Cincotti，Anna Mameli，Antonio Mario Locci,RobertoOrr，Giacomo CaoHeavy Metals Uptake by Sardinian Natural Zeolites：Experiment and Modeling Industrial&Engineering Chemistry Research,2006，45(3)：107410845 莫伟,韩跃新,马少健等.宁明膨润土对水中铜离子的吸附行为.金属矿山, 2008(4):134-138:60-626 樊海明,何少华,周炀等.凹凸棒石吸附废水中的重金属.矿业工程,2008(02):627 李静萍,陈峰,李发达.凹凸棒石对废水中Ni2+吸附性能的研究.应用化工, 2008(05):514-5168 彭荣华,陈丽娟,李晓湘.改性粉煤灰吸附处理含重金属离子废水的研究.材料保护, 2005(01):48-509 胡友彪,张慰,王世超.粉煤灰对重金属废水的吸附性能研究.煤炭科学技术,2007(07):93-9410 Kumar,U，Bandyopadhyay，M，Sorption of cadmium from aqueous solution using pretreated rice huskJBioresour TechnoL2006，97：104-10911 蒋佰坤,戚洪彬.13X沸石去徐废水中镍离子的实验研究J-环境科学技术 2003(06):23-3012 居沈贵,曾勇平,姚虎卿.13X分子筛对废水中锌离子的吸附性能研究J-化学工程, 2006(03):53-5513 尹洪喜,张万忠,高恩君.纳米二氧化钛对隔离子的吸附研究J-当代化工, 2007(05):482-48414 姜虎生,吴南.纳米氧化锌对废水中Cu2+、Cd2+吸附性能研究J-长春理工大学学报, 2008(01):139-141毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告开题报告：一、课题的目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、研究方法、步骤和措施 开 题 报 告一、课题的目的与意义随着全球工业化进程的推进，重金属离子对水质的污染已对人类的生存造成了极大的威胁，相关的分离技术与材料亟待发展，目前，分离与去除水介质中重金属离子的方法有多种，如化学沉淀法、化学还原法、离子交换法、生物处理法和吸附法。诸多方法相比，吸附法是一种简便、高效且吸附剂可再生与循环使用的有效方法，而在各种吸附材料中，无机改性吸附材料有着选择性高、吸附容量高等优点，成为了研究者们研究的热点。本课题主要拟采用KH550改性纳米二氧化硅来制备重金属离子吸附剂，以期获得附能力强、再生容易、选择性高、廉价的吸附剂。二、课题的发展现状和前景展望随着环境水污染的日益加重，研究一种化学性质稳定、高吸附、易回收的新材料刻不容缓。吸附基团接枝改性的纳米二氧化硅表面活性位点多，比表面积大，性质稳定是一种优良的吸附材料。目前，研究者们通过各种方法将吸附基团接枝到纳米二氧化硅上，且在重金属离子吸附方面取得了一定的成就，但是这些接枝改性的方法步骤繁琐、影响因素多不适用于工业生产。怎样使接枝改性变得简单并且吸附量高、适用于大批量生产是研究者们亟待解决的问题。吸附基团接枝改性二氧化硅用于重金属水污染的处理是未来发展的趋势，寻找合理的改性方法改性二氧化硅也是十分必要的。金属吸附方面，采用纳米二氧化硅包裹磁性四氧化三铁，再在纳米二氧化硅表面接枝吸附基团，研究其回收性能。研究结果表明，相比于其他材料，核壳纳米粒子SiO2/Fe3O4作为吸附剂，能大大提高对水中的重金属离子吸附能力，而且易于分离。目前国外的一些研究小组已经在该领域研究并取得了良好的进展。三、课题的主要内容和要求 本课题利用含有吸附官能团的化合物3-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）、2-巯基苯并噻唑改性二氧化硅，以期提供可以与铜、铅重金属离子形成配合物的官能团，使二氧化硅不但具有耐酸耐碱的稳定性，而且含有能够吸附Cu2+、Pb2+的吸附基团。四、研究方法、步骤和措施本课题研究方法采用水热合成法，并使用KH550水解液对产品进行改性。首先通过电导率仪测试出KH550水解的最佳条件，然后通过接枝改性的方法把水解后的KH550和2-巯基苯并噻唑接枝到二氧化硅表面，通过对比改性前后样品性能，分析KH550和2-巯基苯并噻唑对SiO2的改性效果。 步骤和措施：（1）KH550水解 取适量KH550、适量去离子水，加入适量无水乙醇，水解，磁力搅拌器搅拌。（2）改性溶液配制 取适量的2-巯基苯并噻唑溶解于KH550