磁性纳米粒子与粉煤灰的复合材料及其吸附性的研究.docx
《磁性纳米粒子与粉煤灰的复合材料及其吸附性的研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《磁性纳米粒子与粉煤灰的复合材料及其吸附性的研究.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
磁性纳米粒子与粉煤灰的复合材料及其吸附性的研究
编号0811208
毕业（学位）论文
（届本科）
题目：
磁性纳米粒子与粉煤灰的复合材料
及其吸附性能的研究
学院：
专业：
作者姓名：
指导教师：
完成日期：
年3月20日
本人郑重声明：
所呈交的本科毕业论文，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
作者签名：
二Ｏ一二年五月二十日
学院：
化学化工学院 专业：
化学
教师姓名
职称
副教授
学历
硕士
拟选论文题目
磁性纳米粒子与粉煤灰的复合材料及其吸附性的研究
选题内容与要求：
粉煤灰使热电厂的副产品,废弃的粉煤灰不仅占用大量土地而且污染环境.但在灰中存在大量铝.硅等活性点,能与吸附质通过化学链结合,同时粉煤灰的结构多孔,比表面积大,因而具有很好的吸附性能.纳米级的四氧化三铁颗粒具有磁性,因此通过壳聚糖将二者粘连起来用以吸附六价铬离子.使二者位于此磁场中,更易实现固液分离.
教研室负责人审查意见：
签字：
年月日
学院审核意见：
学院（章）
年月日
注：
本表按选题填写，每题一页，由学院存档。
本科生毕业论文任务书
论文题目
磁性纳米粒子与粉煤灰的复合材料及其吸附性的研究
作者姓名
所属院、专业、年级
化学化工学院
指导教师姓名、职称
任务下达日期
一、论文的主要内容
将粉煤灰改性后与具有磁性的纳米级四氧化三铁颗粒通过壳聚糖粘连起来用以吸附六价铬离子.使其者位于此磁场中,实现固液分离.
二、论文的基本要求
1．搜集资料较完整，分析比较全面。
2．选题要有新意，目的明确，重点突出，对理论研究或生产实践有参考价值。
3．要注意论文工作的可行性。
4．研究工作要有创新意识，对前人的工作、观点有改进或突破，有自己的独特见解和观点。
5．论文写作，实事求是，论述充分，观点正确，文体规范，文理畅通，无语法错误、错别字。
三、论文进度安排
阶段
论文各阶段名称
起止日期
1
学生初步确定论文题目
2011.08.10-2011.08.20
2
查阅资料完成毕业论文开题报告
2011.08.20-2011.08.30
3
毕业论文试验材料准备
2012.02.28-2012.03.10
4
学生开展试验和相关研究
2012.03.10-2012.04.05
5
整理试验资料完成论文初稿
2012.04.05-2012.04.15
6
论文的修改、讨论
2012.04.15-2012.05.15
7
论文定稿打印、装订
2012.05.16-2012.05.20
8
论文答辩
2012.05.21-2012.06.10
四、需收集和阅读的资料及参考文献
[1]曹向宇，李垒，陈灏.羧甲基纤维素/四氧化三铁复合纳米磁性材料的制备,表征及吸附吸附性能的研究[J].化学学报,2010,（151）:
14617～1466.
[2]张巧丽,陈旭,袁彪.活性碳磁性氧化铁复合材料制备及吸附性能［J］.化学工业与工程,2004,（21）:
475～478
[3]夏畅斌,何湘柱,李德良.酸改性粉煤灰处理焦化废水的工艺研究［J］.环境工程,2000,18（16）:
28～29
[4]吴耀国,陈培榕,陈伟民,张树恒.改性粉煤灰在水处理中的应用［J］.材料导报.2008.8（22）:
368～371
[5]于秀华,程国君,徐初阳.粉煤灰改性技术综述［J］.中国非金属矿工业导刊.2009.1:
26～30
[6]刘金荣.粉煤灰治理废水废气的机理及应用［J］.应用技术.2007.3:
25～27
[7]周笑绿,陆江涛,花蓉,张艳艳,谭小文.粉煤灰在我国用于工业废水处理的研究进展［J］.上海嗲利学院学报.2009.25
（2）:
135～138.
[8]朱伟萍.利用粉煤灰处理废水［J］.煤炭工程.2006.4:
73～75
[9]刘转年.粉煤灰超细改性及对六价铬的吸附热力学［J］.化工进展.2008.27（4）:
569～576
[10]胡友彪,张慰,王世超.粉煤灰对重金属废水的吸附性能研究［J］.煤炭科学技术.2007.35（7）:
92～94
教研室意见
负责人签名：
年月日
学院意见
负责人签名：
年月日
河西学院本科毕业论文开题报告
论文题目
磁性纳米粒子与粉煤灰的复合材料及其吸附性的研究
作者姓名
所属院、专业、年级
化学化工学院
指导教师姓名、职称
预计字数
6000
开题日期
选题的根据：
1.说明本选题的理论、实际意义
随着工农业的飞速发展,水污染问题已遍及世界各地,尤其是电镀、农药以及冶炼铬、锌、铅等工业废水中含有铬、铅、铜、铁等重金属离子,严重污染环境,危害人体健康粉煤灰是燃煤电厂副产品,在灰中存在大量铝、硅等活性点,能与吸附质通过化学链结合,同时粉煤灰的结构多孔,比表面积较大,因而具有很好的吸附性能。
研究表明,粉煤灰可有效地去除城市污水中的有机质、色度、重金属离子、氮、磷、臭味等污染物质。
本文研究了磁性粉煤灰对废水中重金属的等温吸附规律以及影响去除率的因素,为利用粉煤灰去除废水中的重金属离子提供一些试验数据,以寻求一种处理现代工业废水既经济又有效的途径。
2.综述有关本选题的研究动态和自己的见解
目前对于粉煤灰的研究主要集中于对其进行各种方法的改性后,测试其对重金属离子及磷、氨等的吸附性能，就磁性纳米材料本身具有的性能本实验主要致力与将粉煤灰与磁性材料结合，使其兼具吸附性和磁性。
主要内容及其主要的研究方法：
将粉煤灰用混酸改性后，与磁性粒子、壳聚糖结合生成磁性粉煤灰。
主要方法有：
共沉淀法，
混酸改性。
完成期限和采取的主要措施：
本论文在2012.5.10前完成初稿，2012.5.20前定稿。
在论文从开题到成稿的整个过程都虚心向指导老师和其他的老师请教，向指导老师征求意见，多和指导老师交流，和同组同学合作讨论，并虚心请教其他同学。
从图书馆和CNKI等数据库以及网上多方查阅资料，全面掌握信息。
认真做实验，对实验的每一个环节都仔细认真的进行，直到完成。
主要参考资料：
[1]曹向宇，李垒，陈灏.羧甲基纤维素/四氧化三铁复合纳米磁性材料的制备,表征及吸附吸附性能的研究[J].化学学报,2010,（151）:
14617～1466.
[2]张巧丽,陈旭,袁彪.活性碳磁性氧化铁复合材料制备及吸附性能［J］.化学工业与工程,2004,（21）:
475～478
[3]夏畅斌,何湘柱,李德良.酸改性粉煤灰处理焦化废水的工艺研究［J］.环境工程,2000,18（16）:
28～29
[4]吴耀国,陈培榕,陈伟民,张树恒.改性粉煤灰在水处理中的应用［J］.材料导报.2008.8（22）:
368～371
[5]于秀华,程国君,徐初阳.粉煤灰改性技术综述［J］.中国非金属矿工业导刊.2009.1:
26～30
[6]刘金荣.粉煤灰治理废水废气的机理及应用［J］.应用技术.2007.3:
25～27
[7]周笑绿,陆江涛,花蓉,张艳艳,谭小文.粉煤灰在我国用于工业废水处理的研究进展［J］.上海嗲利学院学报.2009.25
（2）:
135～138.
[8]朱伟萍.利用粉煤灰处理废水［J］.煤炭工程.2006.4:
73～75
[9]刘转年.粉煤灰超细改性及对六价铬的吸附热力学［J］.化工进展.2008.27（4）:
569～576
[10]胡友彪,张慰,王世超.粉煤灰对重金属废水的吸附性能研究［J］.煤炭科学技术.2007.35（7）:
92
指导教师意见：
签名：
年月日
教研室意见
负责人签名：
年月日
学院意见
负责人签名：
年月日
磁性粉煤灰的制备及其对六价铬的吸附性能
）
摘要：
采用氧化沉淀法制备纳米Fe3O4，用混酸（H2SO4：
HCl=1：
1）改性粉煤灰，将制得的Fe3O4与改性粉煤灰和壳聚糖复合制成磁性材料。
用红外光谱对磁性粉煤灰进行了表征。
研究了磁性粉煤灰对Cr6+的吸附性能，探讨了溶液pH、反应时间和Cr6+的初始浓度对其吸附性的影响。
结果表明：
吸附等温数据符合Freundlich模型。
在室温下磁性粉煤灰对六价铬的最佳吸附pH为1.5，吸附平衡时间为40min，此时对于20mg/L六价铬溶液去除率可达99.9％。
关键词：
氧化沉淀法；Fe3O4；Cr6+；粉煤灰；吸附
Thepreparationofmagneticflyashandadsorption
propertiesofCr6+
HanWenyu，WangYongsheng
（CollegeofChemistryandChemicalEngineering,HexiUniversity,Zhangye734000）
Abstract：
Fe3O4werepreparedbyoxidationdepositionmethod,flyashwasmodifiedbyH2SO4：
HCl=1：
1,andmagneticflyashwaspreparedwithFe3O4andchitosan,thenmagneticflyashwascharacterizedbyFT-IR.TheadsorptionpropertiesofCr6+onmagneticflyashwerecarriedoutatdifferentpH,contacttimeandCr6+initialconcentrations.TheresultsshowthatTheadsorptionisothermdatawerewelldescribedbyFreundlichisothermmodels,andwhenCr6+initialconcentrationswas20mg/L,pHwas1.5,contactmorethan40min,theefficiencyofCr6+removalratereached99.9％.
Keywords：
oxidationdepositionmethod；Fe3O4；Cr6+；flyash；adsorption
含重金属铬离子废水是生态环境安全的重大威胁，铬能以六价及三价的形式存在于水中，具有很强的毒性，且六价铬的毒性远远大于三价铬，因此，含铬废水的处理受到了广泛关注。
目前，含铬重金属废水的处理方法主要有化学沉淀法、离子交换法，电渗析发，生物吸附法以及活性碳吸附法。
这些处理方法存在处理效果不好，或处理费用高等特点，因此找到一种高效，低廉的处理方法势在必行。
吸附法用于处理工业废水效果显著，常用的吸附剂有活性碳（AC）、水滑石、硅藻土、膨润土、沸石、分子筛、有机吸附剂等。
其中粉煤灰是煤粉炉烟道气中收集的细灰（煤燃烧的残留物）,属于燃煤电厂的大宗工业废渣。
目前世界每年排放近6亿吨,我国排放2亿吨,在今后相当长的一段时间内还会持续增加。
排放的粉煤灰大量堆积，既占用大量耕地，产生的扬尘严重污染大气，而且会由于淋滤作用浸污地下水。
但粉煤灰比表面大，粒径很小，在0.1-10μm范围，有众多微孔和次微孔，这类微孔吸附剂的孔径很小，孔内可与吸附质分子作用的表面原子很多，在微孔内壁面与壁面所产生的吸附力场发生叠加，吸附力增强，在较低压力下即可达到吸附饱和。
另一方面粉煤灰分子结构中存在大量Si-O和Al-O活性基团，能与吸咐质化学键或离子发生结合，从而产生吸咐。
其特点是选择性强，通常为不可逆。
经研究表明,粉煤灰可作为吸附剂有效地去除城市污水中的重金属离子、氮、磷、臭味等污染物，不过由于粉煤灰粒径很小，在0.1-10μm范围，在应用中存在分离困难的问题，用传统的过滤法容易引起筛网堵塞，而磁分离则是一种简单高效的分离方法。
将磁性物质与粉煤灰复合在一起制成磁性吸附剂，即可解决粉煤灰的分离问题。
磁性吸附剂可以通过外加磁场进行固液分离，适用于大面积的动态吸附，因此它已经广泛应用于废水污染的处理中。
与沉降、过滤等常规方法相比较，磁力分离法具有处理能力大、效率高、能量消耗少，设备简单等一系列优点。
本文提出用共沉淀法制备纳米Fe3O4的同时将粉煤灰和壳聚糖加入后制成了磁性材料，并研究了对废水中重金属铬的等温吸附规律以及影响去除率的因素，为利用磁性粉煤灰去除废水中的重金属铬离子提供一些试验数据，以寻求一种处理现代工业废水既经济又有效的途径。
１实验部分
1.1试剂和仪器
粉煤灰来自附近餐馆的炉筒，在110℃下烘干3h，并干燥，装瓶备用。
主要试剂：
FeCl2•4H2O（分析纯），天津市双船化学试剂厂；FeCl3•6H2O（分析纯），天津市双船化学试剂厂；二苯碳酰二肼[CO（NH•NH•C6H5）2]（分析纯），北京化工厂；丙酮（分析纯）天津市化学试剂批发公司；壳聚糖，中国浙江金壳生物化学有限公司。
主要仪器：
SHB-型循环水式多用真空泵，郑州长城科工贸有限公司；KQ3200DE型数控超声清洗器，昆山市超声仪器有限公司；DHG-9123A型电热恒温鼓风干燥箱，上海齐欣科学仪器有限公司；pHS-2F型pH计，上海仪电科学仪器股份有限公司；WFJ2100型可见分光光度计，优尼柯（上海）仪器有限公司；FTTR200型傅里叶变换红外谱仪，美国尼高力；KDM型控温电热套，山东甄城向阳仪器厂。
1.2实验方法
1.2.1 粉煤灰的改性
将粉煤灰冲洗干净，再用蒸馏水冲洗，于105℃下烘2h，称取上述粉煤灰100g，用250mL混酸（H2SO4：
HCl=1：
1）浸泡并搅拌1h，过滤，洗涤，于105℃下烘干（2h），研磨后即得改性粉煤灰。
1.2.2 磁性粉煤灰的制备
将4.97gFeCl2•4H2O和13.515gFeCl3•6H2O配成1mol／L溶液，再按体积比1：
2配成混合液。
在N2保护下搅拌10min；加入6g改性粉煤灰和3g壳聚糖，在超声振荡下想溶液中加入过量5%的氨水，搅拌10min。
将黑色颗粒用蒸馏水洗涤4∽5次，并选出磁性粒子，于60℃下干燥。
1.2.3 二苯碳酰二肼[CO（NH•NH•C6H5）2]溶液称取二苯碳酰二肼0.2g，溶于50mL丙酮中，于100mL棕色容量瓶中定容，摇匀，置于冰箱中保存。
颜色变深后不能再用。
1.2.4 混酸制备量取150mL浓硫酸于烧杯中，沿杯壁缓慢加入150mL浓盐酸，边加边搅动，置于试剂瓶中待用。
（以上操作均在通风橱中进行）
1.2.5 模拟含Cr6+废水的制备
准确称取于120℃下干燥2小时的重铬酸钾基准物0.2830g于50mL烧杯中，用水溶解后转至500mL容量瓶中，稀释至刻度，摇匀。
此六价铬溶液的浓度为0.100mg/mL。
需要时定量稀释并用氢氧化钠和盐酸溶液调节成不同的pH值。
1.3 分析测试方法
溶液中Cr6+的测定：
吸光光度法测定六价铬，国家标准（GB）采用二苯碳酰二肼[CO（NH•NH•C6H5）2]（DPCI）作为显色剂。
在酸性条件下，六价铬与DPCI反应生成紫红色化合物，可以直接用吸光光度法测定，最大吸收波长为540nm左右。
溶液pH测定：
利用玻璃电极体系进行，每次均用标准缓冲溶液校验。
1.4 计算方法
去除率的计算方法：
η：
磁性粉煤灰对六价铬的去除率；C：
吸附前六价铬的浓度，mg/L；Ce：
吸附后六价铬的浓度，mg/L。
吸附容量的计算方法：
A：
粉煤灰对铬的吸附量，μg/g； M：
吸附前溶液中铬的含量，μg/g； Me：
吸附后溶液中铬的含量，μg/g； W：
吸附时使用的粉煤灰的量，g。
2结果与讨论
2.1 吸附剂FTIR表征
图1：
FTIRspectraofflyashandmagneticflyash
图1为两种粉煤灰的FTIR谱图。
从图中可以清楚地看到粉煤灰中在3394.66cm-1附近有一个明显的吸收峰，为O-H的伸缩振动峰；2706和2795附近有宽而强的吸收峰，为C-H的伸缩振动峰；1591、1629处有强而尖锐的峰，表明有C=O，C=C，说明粉煤灰中有有机物存在；758cm-1处有一Al2O3的振动峰。
与粉煤灰的FT-IR谱图不同的是，磁性粉煤灰的FTIR图中，在具有上述各种峰的同时，于2350cm-1处出现了Si-H的伸缩振动峰；1620、1636处出现C=C的比原先更强的峰，峰面积增大；1344-1380出现了明显的NO3-吸收峰；582、624cm-1时出现了很强的Fe2O3.Fe3O4的吸收峰。
可以看出在3394.66、2706、2795、758、1629、1591cm-1处粉煤灰的特征振动峰并未发生位移，表明粉煤灰与Fe3O4以简单的物理沉积方式结合。
2.2标准曲线的绘制
在7个50mL的容量瓶中，用吸量管分别加入0mL，0.5mL，1mL，2mL，4mL，7mL和10mL的1.00g/L铬标准溶液，用水稀释至标线，加入0.6mL（1+1）H2SO4，摇匀.再加入2mLDPCI溶液，立即摇匀。
静置5min，以试剂空白为参比溶液，在540nm下测量吸光度。
所得数据见表1；绘制吸光度A对六价铬含量的标准曲线见图2：
表1
浓度（mg/L）
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
吸光度
0
0.030
0.621
0.915
1.216
1.491
1.771
图2
2.3pH对磁性粉煤去除六价铬效果的影响
在6个100mL的锥形瓶加入20mL六价铬初始浓度为20mg/L的溶液，用HCL和NaOH调节溶液至不同的pH。
室温下，分别加入0.1g磁性粉煤灰振荡120min后，用磁铁吸附至底部，准确量取5mL上层清液于50mL的容量瓶中，定容，摇匀，再加入0.6mL（1+1）H2SO4，摇匀。
最后加入2mLDPCI溶液，立即摇匀。
静置5min以试剂空白为参比溶液，在540nm下测量吸光度，考察pH对磁性粉煤灰吸附效果的影响。
实验数据见表2；以pH为横坐标，去除率η为纵坐标，作图2：
表2
序号
1
2
3
4
5
6
pH
0.8
1.65
2.5
3.02
4.01
5.9
去除率
0.92
0.94
0.90
0.86
0.80
0.66
图2：
pH对六价铬去除率的影响
图2是pH对磁性粉煤灰去除六价铬影响。
从图中可以看出：
对于铬，在强酸性环境中，溶液中H+会使粉煤灰中的碱性氧化物失去活性，从而使粉煤灰吸附能力降低。
pH增大至1.5时磁性粉煤灰吸附效果达到最佳，大于1.5时去除率明显下降。
产生此现象的原因与粉煤灰表面的自由能及活化基团受不同酸度溶液影响及六价铬在溶液中的形态分布有关。
受溶液pH值得影响，六价铬主要以CrO42-和Cr2O72-两种形式存在。
当溶液中H+浓度增大时，先生成Cr2O72-，随之转变为CrO42-。
当pH小于2溶液中主要以CrO42-存在，即Cr此时以Cr（Ⅲ）存在，而Cr（Ⅲ）的毒性比Cr（Ⅵ）小100倍左右。
随着pH值的上升，溶液中OH¯浓度增大，由于粉煤灰表面的含氧基团与OH-的亲和力大于对CrO42-的亲和力，吸附能力下降。
故提高溶液中H+浓度，对Cr（Ⅵ）的吸附有利。
2.4吸附热力学
Langmuir吸附等温式和Freundlich吸附等温式普遍采用的两种吸附等温式。
（ⅰ）Langmuir吸附等温式的线性形式为：
Q——单位表面上达到饱和时间的最大吸附量；
A——常数，为吸附量达到Q0/2时溶液的平衡浓度。
（ⅱ）Freundlich吸附等温式的线性形式为：
K——与吸附比表面积、温度有关的系数；
n——与温度有关的常数，n>1。
2.4.1吸附等温线的绘制
在7只100mL的锥形瓶中分别准确加入20ml初始浓度为100，80，50，40，25，20，10mg/L的铬溶液，用HL和NaOH调节pH为1.5左右，快速加入以称量好的磁性粉煤灰各0.1g，振摇120min后，用磁铁实现固液分离，吸取上层清液用二苯碳酰二肼分光光度法测定溶液中残余六价铬离子浓度铬含量，考察初始浓度对吸附效果的影响。
所得数据见表3：
表3
序号
1
2
3
4
5
6
7
浓度（mg/L）
100
80
50
40
25
20
10
铬溶液（mL）
20
20
20
20
20
20
20
磁性粉煤灰（g）
0.1
0.1
0.1
0.1
0.1
0.1
0.1
平衡浓度（mg/L）
56.77
39.99
18.19
10.51
2.91
0.01
0
去除率（%）
43.2
50．0
63.6
73.7
88.3
99.9
100
吸附量
8.64
8.00
6.36
5.89
4.41
3.99
2
以平衡浓度c为横坐标，吸附量A为纵坐标，作图3：
图3
由图可知，粉煤灰六价铬的吸附容量随着六价铬初始浓度的增大而逐渐升高。
分别采用Langmuir和Freundlich吸附等温式进行拟合，拟合结果见表4：
表4
L型等温线 F型等温线
Q0（mg/g）A（mg/L）R2 K（mg/g）nR2
7.9432.4460.902 3.4334.4230.993
以Langmuir吸附等温式和Freundlich吸附等温式作图4：
L型等温线F型等温线
图4
由以上结果可知粉煤灰吸附六价铬复合F型等温式，及形成单分子层吸附。
1/n=0.2261，当1/n在0.1-0.5范围内时吸附容易进行。
2.4.2由表3做去除率与吸附时间的关系曲线如下图5：
图5
图5结果表明磁性粉煤灰更适合与处理低浓度的铬离子溶液，浓度在20mg/L以下时去除率可达到99%以上。
因此在实际应用中可将含铬离子的溶液适当稀释至20mg/L后再进行处理。
2.5吸附时间的影响
分别准确吸取20mL25mg/L的六价铬于8个100mL的锥形瓶中，同时加入0.1g粉煤灰，室温下每隔10min取样分析，测定其中铬离子的浓度，并绘制如下图4：
图6
由图4可以看出：
在实验开始阶段，去除率随吸附时间的增加而提高较大（40min时去除率已达到87%），此后随时间的增长去除率继续增大大增大速率减慢。
产生此现象的原因是在吸附初始阶段，粉煤灰的比表面积较大，表面存在大量的空余吸附位，故初期吸附
升级会员 