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金属氧化物微纳米结构材料制备及其在水处理中的应用研究

张永兴  
【摘要】:金属氧化物材料在水污染处理方面的应用近年来显现出尤为重要的发展前景,而这主要原因在于金属氧化物材料在水污染处理方面有着其独特的优势。这些独特的优势主要表面在以下几个方面:1)较低的成本——低成本的吸附/光催化剂材料可以有低成本的原料或通过较为简单的合成方法路线而得到;2)材料具有较高的机械强度,而且材料本身不易溶解在水中,进而对环境造成二次污染;3)对目标污染物具有较高的吸附容量和快速吸附或催化降解能力。随着纳米技术的不断发展,具有微纳米结构的金属氧化物材料更能体现出上述优点。微纳米结构金属氧化物材料的微米尺寸结构可以提供足够的机械强度,避免了材料被磨损和消耗;而纳米结构的特点使得这些材料具有较高的比表面积,并且大大增加材料对重金属离子或有机微污染物的吸附活性位点;另外,还有一个最重要的特点在于具有纳米结构的水处理材料对微污染物具有较快的质量传速过程,实现快速吸附或降解释放在环境中的有毒有害的污染物质。本论文主要集中在合成具有一定新颖结构的金属氧化物微纳米结构材料,并且进一步研究了其在水处理方面的应用,主要内容及创新点如下: 一、通过使用一种简单有效的方法合成了具有一定新颖结构的蛋形水母状γ-AlOOH(Boehmite)@SiO2/Fe3O4多孔磁性微纳米球材料,这种材料不仅拥有较高的比表面积,还具有大量的孔通道结构。在常温下,这种材料具有优异的磁性特征,这方面的特点为在实际应用中实现简单、快速回收这种材料提供了很好的条件。结合材料的本身特点,研究了样品材料对水污染环境中二价重金属Pb(Ⅱ)离子的吸附能力。研究结果发现,这种材料对二价重金属Pb(Ⅱ)离子有较高的吸附容量(最大吸附容量为214.59mg g-1)和较高的去除效率(Pb(Ⅱ)的初始浓度低于100mg g-1时去除效率几乎为100%)。以上述所述极其优异的性能表明,在去除水环境污染物中的重金属离子方面,这种具有新颖结构的金属氧化物复合材料可以作为高效、快速分离的吸附剂材料。 二、首次以去离子水为溶剂,偏铝酸钠为原料,尿素为沉淀剂,聚丙烯酸钠为表面活性剂,合成了具有单分散、均一性、花状微纳米分级结构的γ-AIOOH。这种制备方法不仅简单,而且实验试剂无毒、生产成本较低。通过研究样品材料的形成过程,推测了其形成机理是通过自主装而形成的这种结构形貌的。所得到的样品材料的比表面积可以达到145.5m2g-1,并且具有较高的孔体积和较大的孔径尺寸分布。通过研究其对重金属离子Pb(Ⅱ)和Hg(Ⅱ)的吸附作用,发现其对这两种重金属离子的吸附动力学响应非常迅速,在仅仅5分钟的时间内,就可以实现对重金属离子Pb(Ⅱ)和Hg(Ⅱ)的去除效率达到99%的效果;另外,这种样品材料对这两种重金属离子的最大吸附容量可以分别达到124.22mg g-1和131.23mgg-1。以上这些优异的性能可以充分说明所制备的这种样品材料是水污染处理所需要的理想材料。 三、通过使用一种简单、绿色以及高效的方法合成了金属Ag纳米颗粒修饰Fe3O4@TiO2磁性微纳米球光催化剂材料。这种光催化剂材料具有较高的比表面积、较大的孔尺寸和孔体积,并且在常温条件下具有优异的铁磁性能。通过控制紫外光照时间,可以得到性能较佳的金属Ag纳米颗粒修饰的Fe3O4@TiO2磁性微纳米球光催化剂材料。对去除有机污染物亚甲基蓝的研究中,发现这种光催化剂材料的性能要优于商用德固赛P25TiO2光催化剂材料和没有在Fe3O4@TiO2磁性微纳米球表面修饰金属Ag纳米颗粒的光催化剂材料。其主要原因是由于金属Ag纳米颗粒的存在使得光催化剂表面存在Ag-TiO2异质结,这种异质结有利于提高光催化剂材料的光催化性能。通过多次使用这种光催化剂材料,发现其光催化性能依然没有明显减弱。这些结果说明这种具有微纳米结构的磁性球在去除水中有机污染物有着很好的使用价值和应用前景。


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