生物分子辅助合成钛酸盐/TiO2纳米材料及净水性能研究

摘要

钛酸盐纳米材料由于其具有较大的比表面积和和较强的离子交换能力，因此在吸附、光电等许多领域具有广泛的应用。然而，近年来国内外研究表明，制备出的纳米钛酸盐容易团聚，导致其吸附性能不够理想，在合成过程中通过外加添加剂以改善其结构与吸附性能是非常必要的。
　　木质素（包括木质素磺酸钠）产出量大，价格低廉，是造纸排放污水的主要污染物。全世界每年产生的工业木质素的利用率极低，造成很大的资源浪费，这势必会带来严重的环境问题和经济问题。因此无论从资源利用，还是从环境保护的角度看，开发木质素利用的新方法，提高木质素的利用率，不仅可减少环境污染，还可缓解资源危机，维持可持续发展。
　　本论文以木质素（包括木质素磺酸钠）、壳聚糖和甘氨酸作为外加添加剂用于钛酸盐/TiO2纳米材料的合成，提高了其对重金属污水的吸附性能。本论文主要包括以下几个方面的内容:
　　(1)分别以玉米杆、棉花杆、杨树木屑和柳树木屑为原料，从中提取出木质素来辅助合成钛酸盐纳米管材料。通过XRD、FESEM、TEM、FTIR和BET等手段对产物进行了一系列的表征，并研究了其吸附性能。研究发现，柳树木质素改性的钛酸盐纳米管(WL-TNTs)的吸附性能最优。WL-TNTs材料对Pb2+、Cu2+、Cd2+吸附效果很好，特别是对Pb2+在较宽的pH范围内（pH为2-7）具有良好的吸附效果，WL-TNTs材料对Pb2+、Cu2+、Cd2+最大吸附量分别达到677.6、258.2、308.5 mg·g-1，而且吸附速度快，吸附剂的最佳投加量仅为0.2 g/L，同时该材料吸附解析性能优异。
　　(2)以锐钛矿TiO2为原料水热制备了TNTs材料和经木质素磺酸钠(LSN)辅助合成的L-TNTs材料，通过一系列的表征表明，与TNTs相比，L-TNTs具有较大的轴径比;纳米管的表面或层间吸附了一定量的LSN，并使其其层间距增大;用LSN辅助合成的钛酸盐纳米管仍保持材料固有的介孔性质，但比表面积略有降低。吸附结果表明，L-TNTs材料对Pb2+、Cu2+、 Cd2+和对亚甲基蓝染料具有更高的吸附性能;以钛粉为钛源水热合成TTNTs，并以LSN进行辅助合成材料L-TTNTs，通过比较发现L-TTNTs对重金属离子(Pb2+、Cu2+、Cd2+)有较大的吸附量，并且在较宽的pH范围内有良好的吸附效果，而且吸附速度快，因此L-TTNTs比TTNTs材料吸附性能更优异。
　　(3)以木质素磺酸钠为添加剂，利用溶剂热法来制备出钛酸盐纳米花材料，研究表明，木质素磺酸钠添加前后钛酸盐的形貌发生了较大的变化，未添加木质素磺酸钠的钛酸盐为散落的片状，添加木质素磺酸钠的钛酸盐材料(L-TNFs)堆积成花状。L-TNFs材料对重金属离子(Pb2+、Cu2+、Cd2+)有较大的吸附量，并对辅助合成的机理进行了探讨。
　　(4)以壳聚糖为添加剂，采用水热法制备了轴径比大的钛酸盐纳米管(CS-TNTs)材料，对钛酸盐纳米管进行了一系列表征，并研究了其吸附性能。结果表明，CS-TNTs材料的等电点为0.9，表面电负性较强，颗粒之间存在静电斥力，因此材料在水溶液中具有很好的分散性，有利于对金属阳离子的吸附。CS-TNTs材料对重金属离子(Pb2+、Cu2+、Cd2+)有良好的吸附效果，并且在较短的时间内，较宽的pH范围内对Pb2+、Cu2+、Cd2+有良好的吸附效果，最大吸附量分别达到589.6、196.4和256.8 mg·g-1。同时该吸附剂还具有良好的再生性能。
　　(5)利用甘氨酸作为模板剂在水热条件下合成锐钛矿的G-TiO2介孔材料，该材料由较小的纳米棒和纳米颗粒组成，具有较大的孔径尺寸和较好的锐钛矿相。选用NBB作为模拟污染物，通过光催化实验发现，G-TiO2材料的光催化活性强于不加甘氨酸制备的TiO2材料。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 木质素

1．1．1 木质素的结构和分类

1．1．2 木质素的理化性质

1．1．3 木质素的提取方法

1．1．4 木质素作为外加添加剂的应用

1．2 钛酸盐纳米管材料的研究

1．2．1 钛酸盐纳米管的组成

1．2．2 钛酸盐纳米管的结构

1．2．3 钛酸盐纳米管材料的制备

1．2．4 钛酸盐纳米管材料的性质及其在吸附方面的应用

1．3 钛酸盐纳米管材料的辅助合成及应用现状

1．4 辅助合成纳米管材料的应用

1．5 本论文的研究的意义、背景及研究内容

第二章 天然木质素辅助合成钛酸盐纳米管及吸附性能

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 仪器与试剂

2．2．2 木质素的提取

2．2．3 天然木质素辅助合成钛酸盐纳米管

2．2．4 吸附性能试验

2．2．5 材料的表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 XRD分析

2．3．2 TEM分析

2．3．3 IR分析

2．3．4 BET分析

2．4 材料对重金属离子的吸附性能

2．4．1 溶液的pH对吸附重金属的影响

2．4．2 材料的吸附等温线

2．5 WL-TNTs吸附性能的研究

2．5．1 动力学曲线

2．5．2 投加量研究

2．5．3 再生性能研究

2．6 小结

第三章 木质素磺酸钠辅助合成钛酸盐纳米管及吸附性能

3．1 引言

3．2 木钠辅助锐钛矿TiO2水热合成的钛酸盐及吸附性能

3．2．1 实验部分

3．2．2 结果与讨论

3．2．3 吸附性能研究

3．2．4 本节小结

3．3 木钠辅助钛粉水热合成钛酸盐及吸附性能

3．3．1 实验部分

3．3．2 结果与讨论

3．3．3 材料对重金属离子的吸附性能

3．3．4 材料对重金属离子吸附的动力学研究

3．3．5 本节小结

3．4 本章小结

第四章 木质素磺酸钠辅助合成钛酸盐纳米花及吸附性能

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 仪器与试剂

4．2．2 材料的制备

4．2．3 吸附性能试验

4．2．4 材料的表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 XRD分析

4．3．2 SEM和TEM表征

4．3．3 IR分析

4．3．4 BET分析

4．3．5 XPS分析

4．3．6 钛酸盐纳米花形成的机理

4．4 材料对重金属离子的吸附性能

4．4．1 溶液的pH对吸附重金属的影响

4．4．2 材料的吸附等温线

4．5 材料吸附动力学曲线的研究

4．6 本章小结

第五章 壳聚糖辅助合成钛酸盐纳米管及吸附性能

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 仪器与试剂

5．2．2 材料的制备

5．2．3 吸附性能试验

5．2．4 材料的表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 XRD分析

5．3．2 SEM和TEM表征

5．3．3 IR分析

5．3．4 BET分析

5．3．5 Zeta电位分析

5．4 材料对重金属离子的吸附性能研究

5．4．1 溶液的pH对吸附重金属的影响

5．4．2 吸附等温线

5．5 材料的吸附性能研究

5．5．1 动力学曲线

5．5．2 投加量研究

5．5．3 再生性能研究

5．6 本章小结

第六章 甘氨酸辅助合成介孔TiO2纳米材料及催化性能

6．1 前言

6．2 实验部分

6．2．1 仪器与试剂

6．2．2 材料的制各

6．2．3 光催化实验

6．2．4 材料的表征

6．3 结果与讨论

6．3．1 钛酸盐纳米管的表征

6．3．2 介孔TiO2的表征

6．3．3 反应时间的影响

6．3．4 光催化活性的考察

6．4 结论

第七章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的科研成果清单