纳米信息技术与材料

纳米材料用于重离子吸附的研究进展

10330213 曾玳斯

【摘要】：纳米材料以其独特的物理化学性质而被广为重视，并逐步应用各个领域。用于重离子吸附也取得不小进展。本文阐述了纳米二氧化钛、氧化铁，碳纳米管等对不同种金属及非金属重离子的吸附作用的研究进展，以及预测其前景。

【关键词】：纳米二氧化钛；纳米氧化铁；CNT；吸附；重离子

如今，随着工业的高速发展，工业生产排出的废水，特别是重金属废水对周围环境的污染日益严重重金属废水主要含有铬镍铜锌汞锰镉钒及锡等有毒重金属离子，它的来源很广，如金属矿山电解电镀医药制革工业等等不加处理或处理未达标的重金属废水大量排放，将会对人类自身的健康和生态环境造成极大危害因此，如何科学有效地处理重金属废水已经成为国内外科研工作者研究的热点之一。目前对重金属废水的处理方法主要有：化学沉淀法，氧化还原法，吸附法，电解法，电渗析法，浓缩法，生物法等。而纳米材料以其独特的物理化学性质，在这一领域逐步深受重视。

纳米氧化锌因具有优异的电、磁、光、力学和化学等宏观特性，在精细陶瓷、紫外线屏蔽、压电材料、光电材料、高效催化材料、磁性材料等方面有广泛的应用，颇受科研人员青睐，现成为纳米无机粉体中研究的热点。由于其颗粒尺寸的细微化，比表面积急剧增加，表面分子排布、电子结构和晶体结构都发生变化，具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，从而使纳米材料具有一系列优异的物理、化学、表面和界面性质。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，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，但纳米材料的可再生性能又是其不可忽略的一个优点。因此倍受人们的关注。本文阐述了三种纳米材料吸附剂的吸附研究进展。

一．纳米氧化铁

1.对铀的吸附研究进展：纳米材料是近年来受到普遍重视的一种新兴功能材料, 由于其表面原子周围缺少相邻的原子, 具有高度的不饱和性, 易与其他金属离子以静电作用等方式相结合而趋于稳定, 因此纳米材料对许多金属离子具有很强的吸附能力。纳米氧化铁对水中钼离子、铬离子等吸附效果较好, 但有关其对放射性金属离子铀、钍等吸附研究的报道极少。分光光度法和激光荧光法是目前实验室微、痕量铀分析的重要方法, 偶氮胂Ⅲ对铀的显色灵敏, 且稳定性好。有实验以偶氮胂Ⅲ显色, 分光光度法检测微量铀(Ⅵ) , 研究了纳米氧化铁对水中铀的吸附性能。实验表明 1.溶液pH 对铀酰离子吸附率的影响较大, 在pH ≤6 范围内, 吸附率随pH 的增加, 呈现显著地上升趋势; NaNO3 介质中离子强度对吸附率的影响较小。

2.纳米氧化铁随铀酰离子浓度的增加, 吸附率呈下降趋势, 但吸附容量会逐渐上升, 直到活性吸附位点完全被占据后, 吸附容量稳定不变。

3.铀在纳米氧化铁上的吸附焓变H>0, 升高温度对吸附有利。纳米氧化铁对铀酰离子的吸附等温线符合L angmuir 吸附模型, 吸附动力学过程可用准二级动力学模型来较好地描述。

纳米氧化铁能够很好地吸附放射性金属离子铀, 可望成为一种较好的铀吸附材料, 为放射性金属离子寻找经济有效的吸附材料开拓了新思路, 为纳米材料在放射性核素的处理提供了依据。

2.对砷的吸附作用的研究进展：砷是高毒元素, 是水体中优先控制的污染物之一, 世界卫生组织( WH O) 规定饮用水中砷的允许量为10 g /L, 因此水中砷的污染及其去除方法成为环境领域研究的热门话题。制备高效吸附材料是处理含砷水的重要技术环节。纳米材料特别是纳米氧化物具有一系列新异的物理化学特性, 具备许多优越于传统吸附材料的特殊性能, 受到科学家的高度重视。目前, 已经研究的纳米氧化物吸附剂有A l2 O3、T i 2、r

2和F e3 O4, 能吸附的物质分别为过渡金属离子, 稀土金属离子, 铬（Ⅵ）离子, 重金属离子，砷(Ⅴ，Ⅲ)等, 用纳米F e2 O3做吸附剂的研究很少。在文献中仅报道了Fe2 O3 纳米材料对Pb 的吸附研究。Fe（Ⅲ）对砷有较强的亲和性, 以氧化铁为主要成分的除砷材料是生产中常用的除砷吸附剂。将纳米材料的高效吸附性和铁的强亲和性结合, 研制高效除砷吸附材料具有重要的实际意义。有实验利用均匀沉淀法、溶胶-凝胶相转移法和溶胶-凝胶蒸发干燥法制备纳米氧化铁后，研究了其对水中砷的吸附性能。

二．纳米二氧化钛

1.对重金属离子吸附研究进展：施踏青等研究了纳米二氧化钛对铅的吸附性能,确定了最佳的吸附和解吸条件,并将其用于水样中痕量铅的分离富集和GFAAS测定。结果表明,吸附的最佳p H值为4. 0 , 静态吸附容量为8. 65 mg/ g ,吸附率可达90 %以上。梁沛等利用ICP - A ES 研究了纳米TiO2。材料对Cr (Ⅵ)/ Cr (Ⅲ)的吸附性能,并将其用于水样中铬的形态分析。结果表明,该法对10 mL 试样测定Cr ( Ⅵ和Cr ( Ⅲ的检测限分别为61 ng/ mL 和45 ng/ mL ,其质量浓度在0. 1 ～10 μg/ mL 范围内线性关系良好。) 肖亚兵等研究了纳米二氧化钛对砷(Ⅲ)和砷(Ⅴ)的吸附行为。结果表明：纳米二氧化钛在p H 1～10 范围内对As (Ⅲ)和As (Ⅴ)的吸附率可达99 % 。另外还考察了吸附时间、吸附体积、共存元素对吸附率的影响。此研究对含砷废水的处理、痕量砷的分离、分析有较高的应用价值。与发达国家比较, 我国纳米二氧化钛的研究历史较短,从目前研究的各种的制备方法来看,还存在规模小、生产成本高、生产效率低等缺点,对于实现工业化生产还有待进一步深入研究。

另外，负载型纳米二氧化钛对重金属离子吸附性能的研究实验中，采用溶胶-凝胶法制备了硅胶负载纳米二氧化钛，系统地研究了其对重金属离子的吸附性能。结果表明，负载型纳米二氧化钛不仅保护了纳米材料对金属离子优良的吸附性能，而且增强了其稳定性，易于回收再生，重复使用十次以上吸附性能没有明显改变，是一种较为理想的固相吸附材料。三．碳纳米管

1.对溶液中重金属离子吸附研究进展：碳纳米管（CNT）具有中空层状结构,大的比表面积和长径比,高的化学稳定性和热稳定性以及端帽、内腔、管壁容易被修饰等特点,是一种较为理想的吸附材料。综述了碳纳米管与吸附相关的结构和性质,分析了经硝酸氧化处理过的碳纳米管对溶液中金属离子的吸附作用原理,以及pH值、离子浓度对吸附作用的影响。讨论了将碳纳米管对金属离子的吸附作用与分离富集技术相联系,应用于元素分析测定,能够提高方法灵敏度,降低了元素检出限。在仪器分析方面将有巨大潜力。

目前CNT的市场价格一般高于2$/g。不过现在人们已经开发了许多制备CNT的更有效方法，CNT的产量、质量有了很大的提高。从而使CNT的价格逐步降低，为CNT的实际应用创造了条件。CNT的结构、性质决定了其优良的吸附能力，尤其是对重金属离子的吸附。通过解吸可以重复利用CNT。在众多的吸附剂中CNT更具有优越性。因此，CNT 是一种非常理想的吸附材料，在环境保护、稀有元素的富集提取中都有广阔的应用前景。

2.对无机金属离子的吸附研究进展：近年来，国内外有很多学者发现碳纳米管对液相中无机金属离子有非常优良的吸附能力。

Li等发现经硝酸处理的碳纳米管对Pb2+的吸附量大幅提高，当液体平衡质量浓度为2.7mg·L-1时，碳纳米管对铅的吸附量达15.6mg·g-1.进一步探讨了过氧化氢、高锰酸钾和硝酸3种不同的酸化处理方式对碳纳米管吸附重金属镉的影响，结果表明：尽管3种氧化方式在碳纳米管表面带来的酸性官能团按数量顺序为过氧化氢小于高锰酸钾小于硝酸，但高锰酸钾处理的碳纳米管的吸附能力却最强，其次是硝酸处理过的，推断原因是高猛酸价在养活过程中沉积了一部分过度金属氧化物二氧化锰在碳纳米管表面，但二氧化锰在吸附过程中的作用和行为还有待进一步研究。