β-环糊精修饰碳纳米管的制备及其吸附重金属离子的研究

论文摘要

工业的快速发展导致环境问题日益严重,重金属污染作为环境污染的典型例子困扰越来越多的人,如何回收重金属并有效消除其对环境造成的危害成为科研工作者关注的焦点。碳纳米管作为一种新型材料,在电子元器件、催化、储氢等领域具有广阔的应用前景。同时,基于其纳米尺寸而具有的大比表面积及特殊的表面性能在吸附污染物方面的应用潜能有待发掘。本论文以化学气相沉积（CVD）法生产的多壁碳纳米管（简称碳纳米管,CNTs）为原料,通过氧化、修饰对其进行改性,制备了两种吸附材料：氧化碳纳米管（CNTs-ox）和p-环糊精修饰的氧化碳纳米管（CNTs-β-CD）,并分别考察了它们对两种重金属离子——Pb2+和Cu2+的吸附性能。采用扫描电镜、透射电镜、比表面积测试、Zeta电位及傅里叶变换红外光谱对两种吸附材料的微观结构、比表面积、Zeta电位、表面官能团进行了表征。分析了溶液平衡pH值、时间、金属离子浓度以及温度等因素对重金属吸附的影响。并用准二级动力学方程、Langmuir等温吸附模型、Freundlich等温吸附模型及热力学方程对实验结果进行模拟分析。在制备氧化碳纳米管（CNTs-ox）的过程中,本研究通过超声预处理大大加快和改善了浓硝酸的氧化作用。氧化作用使碳纳米管开口明显,比表面积增大,使碳纳米管表面含氧官能团增多,吸附活性位点增多。CNTs-ox吸附平衡时间为30min（CNTs的吸附平衡时间约为90min）,pH值2.0～6.5范围内吸附率随溶液的pH值的增大而增大,吸附动力学为准二级动力学,对Pb2+和Cu2+的最大吸附量分别为98.57和31.60mg/g。5～35℃范围内,对Pb2+吸附为吸热反应,对Cu2+的吸附为放热反应。首次通过非共价作用将β-CD分子成功修饰在CNTs-ox表面制备了β-环糊精修饰氧化碳纳米管（CNTs-β-CD）并将其应用于重金属的吸附。修饰后的材料比表面积减小,表面部分电荷被屏蔽。CNTs-β-CD的吸附平衡时间为15min,溶液pH值对材料吸附性能影响较大。吸附动力学为准二级动力学,金属离子浓度在1.25～200mg/L范围内CNTs-β-CD对Pb2+和Cu2+最大吸附量分别为114.17和88.00mg/g,与CNTs-ox木目比,在相同浓度范围内吸附量分别增大了16%和178%。CNTs-β-CD对Pb2+和Cu2+的吸附反应均为吸热反应。对两种吸附剂吸附机理的分析表明：两种吸附剂对Pb2+和Cu2+的吸附过程中均存在离子交换反应,同时CNTs-β-CD对金属离子的吸附还存在络合反应。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 含重金属废水的来源及其危害
• 1.2 含重金属废水的处理方法
• 1.2.1 化学法
• 1.2.2 生物法
• 1.2.3 物理化学法
• 1.3 物理化学吸附法概况
• 1.3.1 物理化学吸附剂
• 1.3.2 常见的吸附现象及吸附理论
• 1.4 β-环糊精修饰的碳纳米管吸附剂
• 1.4.1 碳纳米管简介
• 1.4.2 碳纳米管在环境领域的应用
• 1.4.3 β-环糊精修饰的碳纳米管
• 1.5 本课题的研究意义和主要内容
• 1.5.1 研究意义
• 1.5.2 主要内容
• 第二章 实验材料与方法
• 2.1 实验材料及仪器设备
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验设备
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 吸附材料制备
• 2.2.2 吸附实验
• 2.2.3 吸附材料表征方法
• 2.2.4 吸附计算模型
• 第三章 硝酸氧化碳纳米管对重金属离子的吸附
• 3.1 引言
• 3.2 浓硝酸改性碳纳米管（CNTs-ox）的制备
• 3.3 吸附剂的表征分析
• 3.3.1 扫描电镜
• 3.3.2 透射电镜
• 3.3.3 比表面积分析
• 3.3.4 Zeta电位分析
• 3.3.5 傅里叶变换-红外光谱分析
• 3.4 CNTs-ox对铅离子和铜离子的吸附行为
• 3.4.1 溶液平衡pH值对吸附的影响
• 3.4.2 温度对吸附的影响
• 3.4.3 吸附时间对吸附量的影响
• 3.4.4 初始浓度对吸附的影响
• 3.5 吸附机理分析
• 3.5.1 红外光谱分析
• 3.5.2 pH值变化
• 3.6 本章小结
• 第四章 β-环糊精修饰氧化碳纳米管及其对重金属离子的吸附
• 4.1 引言
• 4.2 β-环糊精修饰氧化碳纳米管的制备
• 4.3 吸附剂的结构表征
• 4.3.1 材料的分散性
• 4.3.2 扫描电镜
• 4.3.3 比表面积分析
• 4.3.4 Zeta电位分析
• 4.3.5 傅里叶变换-红外光谱分析
• 4.4 CNTs-β-CD对重金属离子的吸附行为
• 4.4.1 溶液平衡pH值对吸附效率的影响
• 4.4.2 温度对CNTs-β-CD吸附的影响
• 4.4.3 吸附时间对吸附量的影响
• 4.4.4 金属离子初始浓度对吸附的影响
• 4.5 吸附机理分析
• 4.5.1 红外光谱分析
• 4.5.2 pH值变化
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士研究生期间已发表的成果
• 致谢