纳米氧化铁-氧化铝复合微界面表面络合行为研究

摘要

纳米铁氧化物是一种重要的金属氧化物，由于量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，纳米级铁氧化物产生了常规颗粒所不具备的特性，是重要的催化剂载体和吸附剂，对材料科学及其应用有着重要意义。 采用自动酸碱滴定法对高温热解有机铁源法制备的纳米Fe3O4表面进行酸碱滴定以确定表面酸碱平衡常数并对其进行了X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、比表面测定(BET)等表征，利用先进的计算机软件FITEQL模拟计算了平衡常数：试验结果表明实验室制备的纳米Fe3O4的表面酸碱常数与矿物Fe3O4不同，得到了Fe3O4的表面性质以及对酸碱的相对活性，利用FITEQL计算了H+、OH—在Fe3O4表面的吸附常数，为下一步Fe3O4表面吸附金属离子做好前期准备。然后利用实验室制备的纳米Fe3O4作为吸附剂，进行金属离子(Cu2+、Pb2+、Zn2+)的吸附性能的研究，测定了在不同pH条件下对各金属离子的吸附以及吸附剂用量的影响，利用先进的计算机软件MEDUSA和WINSGW模拟了溶液组分分布和纳米Fe3O4表面吸附这些重金属离子的平衡常数；试验结果表明实验室制备的纳米Fe3O4的表面对不同重金属离子的吸附能力顺序为Pb2+＞Cu2+＞Zn2+，并得到了相应的吸附反应平衡常数。 对于氧化铝、氧化铁单一矿物的表面络合研究已有大量报导，但对于氧化铝、氧化铁单一矿物纳米粒子表面络合的研究却很少见。而在土壤，赤泥等实际矿物体系中，多种形态的氧化铁，氧化铝共存，在一定条件下，它们之间可发生相互作用而影响其整体的吸附行为，因此单一矿物体系的表面化学行为与纳米微界面复合矿物体系的表面化学行为有明显差异。因此，近年来人们注意到这个问题的重要性，已开始对纳米微界面复合矿物体系表面络合反应进行研究。尽管深入研究对氧化铝和氧化铁这样的典型的纳米微界面复合矿物体系表面络合化学对水土环境污染防治至关重要，然而对于这一纳米微界面复合体系的表面络合化学研究至今尚未见报道。复合微界面体系中我们进一步运用纳米活性氧化铝、三氧化二铁的复合体作为吸附剂，进行金属离子(CU2+、Pb2+、Zn2+)的吸附性能的研究。首先制备了大比表面积，孔径较有序的氧化铝、三氧化二铁粉末，并对其进行了X射线衍射(XRD)、比表面测定(BET)等表征手段。然后按照等表面比混合氧化铝、氧化铁粉末，研究其复合体对重金属离子铜、铅、锌的吸附，测定了氧化铝—氧化铁复合微界面在不同pH条件下对各金属离子的吸附以及吸附剂用量的影响，并对其吸附等温线进行了研究，最终利用WINSGW软件计算得出了相应的络合常数。 在制备铁氧化物时发现了表面活性剂(聚)乙二醇(PEG)在其中起了很重要的作用，所以进一步对这种金属离子与(聚)乙二醇之间的作用做了深入研究。聚乙二醇中官能团为乙二醇，因此采用酸碱滴定法研究铁、铜、铅、锌、铝离子与(聚)乙二醇的络合作用，并利用先进的计算机软件MEDUSA模拟出了它们的络合常数；试验结果表明乙二醇和铜、铅、锌离子之间的络合作用较弱，属物理作用范畴；而(聚)乙二醇和Fe3+、Al3+作用较铜、铅、锌离子为强，乙二醇和铝离子可生成一种新的沉淀物。

目录

文摘

英文文摘

声明

1引 言

1.1氧化铁性质及种类

1.2单分散纳米氧化铁材料的应用

1.2.1纳米氧化铁颜料

1.2.2磁性氧化铁

1.2.3铁氧化物的作用与应用

1.2.4铁(氢)氧化物矿物对有机污染物的光催化氧化作用

1.3单分散纳米氧化铁的制备

1.3.1湿法

1.3.2干法

1.4氧化铁矿物表面特征

1.5铁及其氧化物的吸附

1.5.1生物化学方面

1.5.2铁或其氧化物的(光)催化氧化降解

1.5.3铁或其氧化物对有机物或金属离子的吸附

1.6分散剂聚乙二醇(PEG)概述

1.7相关计算程序

1.8论文工作设想和主要内容

2纳米铁氧化物的制备、表征

2.1引言

2.2制备方法

2.2.1纳米四氧化三铁的制备

2.2.2纳米三氧化二铁的制备

2.3表征

2.3.1XRD表征

2.3.2TEM表征

2.3.3比表面BET表征

2.3.4粒度分布

2.3.5红外表征

2.4结果与讨论

2.4.1XRD表征

2.4.2TEM表征

2.4.3BET表征

2.4.4红外光谱分析

2.4.5粒度分析

2.5小结

3纳米四氧化三铁表面性质和吸附行为

3.1引言

3.2纳米四氧化三铁的表面性质

3.2.1表面滴定

3.2.2计算表面对氢离子的吸附、脱附常数

3.3纳米四氧化三铁表面对重金属离子铜、铅、锌的吸附行为

3.3.1试剂与仪器

3.3.2试剂的配置

3.3.3标准曲线的绘制

3.3.4吸附剂用量的测定

3.3.5 pH对重金属离子吸附的影响

3.3.6原子吸收的测定

3.4结果与讨论

3.4.1四氧化三铁表面Ht图

3.4.2Gran图

3.4.3 FITEQL计算四氧化三铁表面加质子和脱质子常数

3.4.4 pH对四氧化三铁表面吸附铜、铅、锌离子的影响

3.4.5吸附剂用量对表面吸附铜、铅、锌离子的影响

3.4.6 WINSGW模拟计算四氧化三铁表面吸附铜、铅、锌离子络合常数

3.5小结

4复合微界面体系Al2O3-Fe2O3表面吸附金属离子行为

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1主要试剂与仪器

4.2.2标准溶液(Cu2+、Pb2+、Zn2+)的配制

4.2.3 Cu2+、pb2+、Zn2+标准曲线的绘制

4.2.4氧化铝、氧化铁混合粉末对Cu2+、Pb2+、Zn2+的吸附特性

4.2.5表面络合平衡常数的确定

4.3结果与讨论

4.3.1 pH对吸附性能的影响

4.3.2吸附剂用量的影响

4.3.4表面络合平衡常数的确定

4.3.5吸附机理初探

4.4小结

5金属离子与乙二醇的络合行为

5.1引言

5.2实验部分

5.2.1主要仪器及试剂

5.2.2溶液的配制

5.2.3铜、铅、锌、铝离子与乙二醇的络合

5.2.4MEDUSA软件的使用

5.3结果与讨论

5.3.1铁离子与(聚)乙二醇络合常数的模拟

5.3.2铝离子与乙二醇络合常数的模拟

5.3.3铅离子与乙二醇络合常数的模拟

5.3.4铜、锌离子与乙二醇络合常数的模拟

5.4小结

结论

参考文献

致谢

附录A：攻读学位期间发表论文目录