改性多壁碳纳米管吸附水中重金属离子的研究

论文摘要

碳纳米管作为一种新型的纳米碳材料，由于其独特的物理化学性能以及在众多领域的潜在应用价值，自发现以来便受到了人们的广泛关注，成为纳米材料领域研究的一个新热点。本文采用次氯酸钠氧化方法改性多壁碳纳米管，研究了其对水溶液中重金属离子的吸附性质。由单因素和正交试验确定了多壁碳纳米管的最佳改性工艺条件：未改性碳纳米管1.5g，70%的次氯酸钠溶液150mL，反应温度65℃，反应时间3h。吸附实验结果表明，经次氯酸钠氧化处理后的碳纳米管对Cu2+、Ni2+的吸附能力，较未改性碳纳米管有显著提高。考察了吸附剂用量、溶液pH值、温度、吸附时间及溶液初始浓度等因素对碳纳米管吸附性能的影响。结果表明：pH和吸附剂用量的增大都会提升碳纳米管的吸附效果，其中对改性碳纳米管的提升效果更显著；改性碳纳米管的吸附能力随温度升高有所下降；改性碳纳米管的吸附速率很高，对Ni2+和Cu2+的吸附分别只需50min和40min左右就能达到平衡；随着Ni2+、Cu2+初始浓度的增加，改性碳纳米管对其吸附容量逐渐增加，但其吸附率却越来越小。研究两种金属离子的吸附等温线，发现发现Langmuir和Freundlich模型都可很好的描述改性碳纳米管对两种金属离子的吸附，其中对于Ni2+的吸附用Langmuir模型描述的效果更好。动力学研究表明，准一级和准二级动力学模型对Ni2+、Cu2+在改性碳纳米管上的吸附均有很好的拟合，其中准一级动力学模型的拟合度相对较高。研究了Cu2+在改性碳纳米管上的吸附热力学，不同温度下吸附过程的吉布斯自由能变ΔG0均小于0，焓变ΔH0=-5.396kJ/mol，熵变ΔS0=67.099J/（mol·K），表明Cu2+在改性碳纳米管上的吸附是一个自发、放热、熵增的过程。将改性碳纳米管对Cu2+和Ni2+的吸附能力进行了比较，初步探讨了Ni2+和Cu2+二元体系的离子竞争吸附行为。单一吸附时Ni2+的吸附容量和吸附率均小于Cu2+。在二元竞争体系中，改性碳纳米管对Cu2+和Ni2+的吸附能力均有明显下降，且Cu2+的吸附量明显大于Ni2+，表明Cu2+的吸附稳定性高于Ni2+。实验表明改性碳纳米管对重金属离子具有较强的吸附能力，是一种高效的污水处理剂，在环境保护中具有广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 碳纳米管简介
• 1.1.1 碳纳米管的结构和形态
• 1.1.2 碳纳米管的制备方法
• 1.1.3 碳纳米管的性能及应用
• 1.2 碳纳米管作为吸附材料的研究进展
• 1.2.1 碳纳米管对水体中重金属离子的吸附
• 1.2.2 碳纳米管对水体中无机非金属离子的吸附
• 1.2.3 碳纳米管吸附水体中有机污染物
• 1.3 水环境重金属污染及其处理
• 1.3.1 水体重金属污染的来源
• 1.3.2 重金属废水的特点及危害
• 1.3.3 水体重金属污染处理方法
• 1.4 课题研究意义和目的
• 第二章 多壁碳纳米管的改性
• 2.1 实验试剂与仪器
• 2.1.1 主要实验材料与试剂
• 2.1.2 主要仪器设备
• 2.1.3 主要玻璃器皿
• 2.2 实验方法
• 2+溶液的配制'>2.2.1 Cu²⁺溶液的配制
• 2+浓度的检测——火焰原子吸收分光光度法'>2.2.2 Cu²⁺浓度的检测——火焰原子吸收分光光度法
• 2.2.3 改性性能评价指标
• 2.2.4 碳纳米管的预处理
• 2+溶液的静态吸附试验'>2.2.5 Cu²⁺溶液的静态吸附试验
• 2.3 次氯酸钠改性多壁碳纳米管（m-MWCNT）吸附剂的制备
• 2.3.1 次氯酸钠改性多壁碳纳米管的方法
• 2.3.2 单因素试验及结果
• 2.3.3 正交试验及结果分析
• 2+的吸附性能比较'>2.4 改性前后多壁碳纳米管对 Cu²⁺的吸附性能比较
• 2.5 改性碳纳米管的表征
• 2.5.1 红外光谱分析
• 2.5.2 扫描电镜（SEM）表征
• 2.5.3 透射电镜（TEM）表征
• 2.6 本章小结
• 2+的吸附'>第三章 改性多壁碳纳米管对 Cu²⁺的吸附
• 3.1 实验试剂与仪器
• 3.1.1 主要实验材料与试剂
• 3.1.2 主要仪器设备
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 吸附剂用量对吸附效果的影响
• 3.2.2 温度对吸附效果的影响
• 3.2.3 溶液初始 pH 值对吸附效果的影响
• 3.2.4 吸附时间对吸附效果的影响（吸附动力学）
• 3.2.5 溶液初始浓度对吸附的影响（吸附等温线）
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 吸附剂用量的影响
• 3.3.2 温度的影响
• 3.3.3 溶液 pH 值的影响
• 3.3.4 吸附时间的影响
• 3.3.5 溶液初始浓度的影响
• 3.3.6 吸附动力学性质
• 3.3.7 吸附热力学性质
• 3.4 本章小结
• 2+的吸附'>第四章 改性多壁碳纳米管对 Ni²⁺的吸附
• 4.1 实验试剂与仪器
• 2+溶液的配制及其分析'>4.2 Ni²⁺溶液的配制及其分析
• 2+溶液的配制'>4.2.1 Ni²⁺溶液的配制
• 2+浓度的检测——火焰原子吸收分光光度法'>4.2.2 Ni²⁺浓度的检测——火焰原子吸收分光光度法
• 4.3 吸附实验
• 4.3.1 吸附剂用量对吸附率的影响
• 4.3.2 温度对吸附效果的影响
• 4.3.3 溶液初始 pH 值对吸附率的影响
• 4.3.4 吸附时间对吸附效果的影响（吸附动力学）
• 4.3.5 溶液初始浓度对吸附的影响（吸附等温线）
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 吸附剂用量的影响
• 4.4.2 温度的影响
• 4.4.3 溶液 pH 值的影响
• 4.4.4 吸附时间的影响
• 4.4.5 溶液初始浓度的影响
• 4.4.6 吸附动力学研究
• 4.4.7 等温吸附热力学
• 2+和 Cu²⁺在 m-MWCNT 上吸附性能的比较（单一吸附及竞争吸附）'>4.5 Ni²⁺和 Cu²⁺在 m-MWCNT 上吸附性能的比较（单一吸附及竞争吸附）
• 4.5.1 吸附剂用量对吸附效果的影响
• 4.5.2 等温吸附实验
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历