掺杂镧铈纳米TiO2的制备及对水体中Pb2+、Cd2+吸附性能的研究

摘要

重金属污染已经成为目前危害显著的水污染问题之一，例如铅(Pb)和镉(Cd)等，这些元素因居民生活废水排放，以及一些工业企业不顾国家相关法律法规而进行的非法排放所致，类似的报道在报纸电视上均长期反复的报道，但目前情况来看类似的排放还没有得到实质控制，对生态和环境造成了巨大的污染，直接影响了动植物及人类的健康。治理重金属污染水体方法很多，如生物富集、化学吸附、物理吸附、化学反应法等，其中吸附法是一种广泛采用的方法。纳米二氧化钛是一种新型的多功能材料，其相关研究如:光催化性能、光电特性以及催化合成等方面已有诸多研究，但其作为处理水体重金属污染方面的研究报道还不多，尤其是采用稀土元素La、Ce对其进行掺杂处理的二氧化钛作为吸附材料对其吸附性能的提高，材料制备的优化以及吸附热力学、动力学的研究还少见报道。
　　基于纳米材料在吸附和分离富集方面的广泛应用，考虑到纳米材料以其优越的理化性能已经被应用于催化、分离、光电等多个领域，本文选用对重金属有较好吸附及富集能力的纳米二氧化钛材料作为基体，采用镧铈元素掺杂，希望得到吸附及分离富集性能更好的铅、镉吸附材料。主要研究内容和结果如下:
　　通过超声波-溶胶-凝胶法制备镧、铈掺杂纳米二氧化钛，探讨了胶凝过程的主要影响因素，结果表明:在制备溶胶过程中，水、乙醇、冰乙酸及稀土离子的混合溶液滴加速度为5-10滴/min，各组分配比为n钛酸丁酯∶n无水乙醇∶n冰乙酸∶n水=1∶17∶1∶4（物质的量比），确定了材料的制备条件。对铅、镉的吸附研究结果表明:铈掺杂二氧化钛对铅、镉的吸附效果比未掺杂的材料吸附效果平均高约30％左右。镧掺杂二氧化钛对痕量金属离子铅、镉的吸附效果比未掺杂的材料吸附效果平均高约40％左右。实验结果计算得到若以40 mg/L作为金属离子浓度，去除一吨水所需镧掺杂二氧化钛纳米材料为2.1kg，可见掺杂的二氧化钛纳米材料用于处理重金属污染水是可行的，可以作为传统方法的补充和完善。所以，镧、铈掺杂纳米二氧化钛对痕量铅、镉的吸附能力比未掺杂的材料均有提高。
　　通过FTIR、SEM、XRD、BET等对镧、铈掺杂纳米二氧化钛材料的表征分析得出，稀土元素镧、铈成功地掺杂到纳米二氧化钛晶格内。材料对水体中痕量铅、镉的吸附性能研究表明，与未改性的纳米二氧化钛相比较，镧或铈改性的纳米二氧化钛对铅、镉的吸附性能有明显提高，其中当温度上升到70℃时，镧改性的纳米材料其最大平衡吸附量能够达到18.98 mg/g。各种纳米二氧化钛吸附铅、镉离子的动力学方程都符合准二级方程，并且都能很快的达到吸附平衡。对铅、镉吸附的热力学方程表明，对铅、镉的吸附过程为吸热过程。
　　综上所述，本研究制备的改性纳米二氧化钛材料具有原材料操作简单、成本较低、制备工艺易于放大等优点。改性后的纳米二氧化钛材料对铅、镉离子的吸附性能明显提高，吸附过程快速。补充了掺杂稀土离子纳米二氧化钛的多功能性，为高效吸附材料的制备以及重金属水污染的有效处理提供了一定的参考数据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究意义

1．1．1 论文研究背景

1．1．2 论文研究意义

1．2 纳米材料在处理重金属污染方面的研究现状

1．2．1 纳米二氧化钛及稀土掺杂处理重金属污染方面的研究现状

1．2．2 掺杂稀土元素纳米二氧化钛的研究现状

1．2．3 水体中重金属污染的传统处理方法现状

1．3 纳米二氧化钛的结构

1．3．1 纳米TiO2的结构

1．3．2 纳米TiO2的能带结构

1．3．3 纳米TiO2的相变

1．4 纳米TiO2的吸附特性

1．4．1 纳米TiO2的吸附原理

1．4．2 提高纳米TiO2吸附性能的途径

1．5 总体研究思路

第2章 镧、铈掺杂纳米TiO2粉体的制备、表征及性能研究

2．1 实验

2．1．1 主要仪器和试剂

2．1．2 稀土镧、铈掺杂纳米TiO2材料的制备

2．2 分析方法

2．2．1 X-射线衍射(XRD)

2．2．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．2．3 傅里叶变换红外光谱(FTIR)

2．2．4 比表面积测试仪(BET)

2．3 结果与讨论

2．3．1 溶胶-凝胶过程的影响因素

2．3．2 稀土镧掺杂对材料晶粒大小的影响(XRD谱图分析)

2．3．3 稀土镧、铈掺杂对材料形状及晶粒大小的影响(SEM分析)

2．3．4 稀土离子掺杂对材料比表面积的影响(BET分析)

2．3．5 稀土离子掺杂对材料表面结构的影响(FTIR分析)

2．4 本章小结

第3章 镧掺杂纳米TiO2粉体对Pb2+吸附性能研究

3．1 实验

3．1．1 铅标准溶液的制备

3．1．2 铅的测定方法

3．1．3 吸附实验

3．2 热力学和动力学

3．2．1 吸附热力学

3．2．2 吸附动力学

3．3 本章小结

第4章 镧、铈掺杂纳米TiO2粉体对Cd2+吸附性能研究

4．1 实验

4．1．1 仪器与试剂

4．1．2 仪器的工作条件

4．1．3 吸附pH的测定

4．1．4 吸附热力学和动力学

4．3 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 进一步工作与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果