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纳米羟基磷灰石的制备和表征及其对重金属离子吸附行为的研究

作　者: 尹贻芬
导　师: 吴柳明
学　校: 济南大学
专　业: 环境工程
关键词: 纳米羟基磷灰石表面酸碱性质电位滴定金属离子表面络合常数
分类号: R318.08
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

纳米羟基磷灰石既是人体和动物骨骼、牙齿的重要组成部分,是一种重要的无机材料,也是用来治理污水和土壤污染的重要的环境功能材料。由于其特殊的晶体结构和比表面大、粒径小、溶解度高等特性,纳米羟基磷灰石的潜在的应用价值受到国际学术界的广泛关注,成为研究的热点。本研究将采用人工合成的、高比表面的和纯度高的纳米羟基磷灰石作为实验样品。以硝酸钙和磷酸为前驱体,采用溶胶-凝胶法合成纳米羟基磷灰石粒子,并对其制备条件进行了探讨。研究发现陈化时间、煅烧温度和煅烧时间都对制得的颗粒的大小和结晶度产生影响,通过对比找到最优制备条件。对合成的粉体进行了X射线衍射（XRD）、傅立叶转换红外光谱（FI-IR）、透射电镜（TEM）、比表面测定（BET）、热重与差热分析和Zeta电位测定等表征,结果表明随着煅烧温度的升高制得的羟基磷灰石的粒径越大、比表面积越小、结晶度越好;羟基磷灰石的表面始终带负电荷,这就有利于对重金属离子的吸附。相对于对羟基磷灰石的体相化学反应的研究来说,人们对其表面化学反应尚缺乏了解。我们采用自动电位滴定法对制备的纳米羟基磷灰石进行酸碱滴定以确定其表面酸碱平衡常数。在实验中,主要考察了不同的羟基磷灰石用量、不同的离子强度和不同的酸碱浓度对滴定结果的影响。结果表明羟基磷灰石无论是在酸性范围内还是在碱性范围内都有缓冲,并且随着羟基磷灰石用量的增加,缓冲能力有所增强;但是滴定所用的酸碱浓度对滴定影响不大。然后利用FITEQL软件计算H+和OH-在羟基磷灰石表面的吸附常数,为下一步研究羟基磷灰石表面吸附重金属离子以及计算表面络合常数做好前期准备。在现代社会中,随着工业的不断发展,排放废水中的重金属离子日益增加,水污染问题成为严重的环境污染问题。在众多的吸附剂中,羟基磷灰石由于其特殊的化学性质越来越备受关注。本实验将用合成的羟基磷灰石为吸附剂,分别对Zn²⁺和Cd²⁺的吸附性能进行研究。考察了吸附时间、pH值、初始离子浓度及反应温度等因素对吸附效果的影响并探讨吸附机理。结果表明:纳米羟基磷灰石对金属离子的吸附符合拟二级反应动力学方程,吸附时间60min即可达到平衡;吸附量与pH值和金属离子的初始浓度呈正相关关系;纳米羟基磷灰石对金属离子的吸附属Langmuir等温吸附类型;反应温度对吸附效果影响不是很大;纳米羟基磷灰石对Cd²⁺的吸附能力大于对Zn²⁺的吸附。然后利用计算机软件MEDUSA模拟了溶液组分分布,并用WINSGW软件结合吸附实验结果计算得出羟基磷灰石对Zn²⁺和Cd²⁺的络合平衡常数。

全文目录

摘要  7-9
ABSTRACT  9-11
第一章引言  11-23
  1.1 纳米羟基磷灰石的发展  11-12
  1.2 纳米羟基磷灰石的性质和晶体结构  12
  1.3 纳米羟基磷灰石的制备方法  12-16
    1.3.1 干法合成  12-13
    1.3.2 湿法  13-16
  1.4 表面络合  16-18
  1.5 表面络合常数的计算  18-19
  1.6 纳米羟基磷灰石对重金属离子的吸附  19-20
  1.7 本课题研究的目的和主要内容  20-23
    1.7.1 研究目的  20-21
    1.7.2 主要内容  21-23
第二章纳米羟基磷灰石的制备和表征  23-37
  2.1 引言  23
  2.2 仪器与药品  23
  2.3 纳米羟基磷灰石的制备  23-24
  2.4 表征  24-28
    2.4.1 化学组分分析  24-26
    2.4.2 XRD 表征  26-27
    2.4.3 红外吸收光谱分析  27
    2.4.4 TEM 表征  27-28
    2.4.5 BET 表征  28
    2.4.6 热重与差热分析  28
  2.5 结果与讨论  28-35
    2.5.1 化学组分分析  28-29
    2.5.2 不同煅烧温度下羟基磷灰石的表征  29-31
    2.5.3 不同陈化时间下羟基磷灰石的表征  31-33
    2.5.4 不同煅烧时间下羟基磷灰石的表征  33-34
    2.5.5 热重与差热分析  34-35
  2.6 小结  35-37
第三章纳米羟基磷灰石表面酸碱性质  37-49
  3.1 引言  37
  3.2 仪器与药品  37-38
  3.3 实验方法  38-41
    3.3.1 溶液的配置  38
    3.3.2 Zeta 电位测定  38-39
    3.3.3 纳米羟基磷灰石的酸碱滴定  39-40
    3.3.4 纳米羟基磷灰石表面酸碱平衡常数的计算  40-41
  3.4 结果与讨论  41-48
    3.4.1 Zeta 电位测定  41-42
    3.4.2 纳米羟基磷灰石的酸碱滴定  42-45
    3.4.3 纳米羟基磷灰石表面平衡常数的计算  45-47
    3.4.4 纳米羟基磷灰石表面组分分布  47-48
  3.5 小结  48-49
第四章纳米羟基磷灰石表面对金属离子的吸附行为  49-69
  4.1 引言  49
  4.2 实验部分  49-53
    4.2.1 主要试剂与仪器  49-50
    4.2.2 溶液的配制  50
    4.2.3 实验方法  50-51
    4.2.4 Zn~(2+)和 Cd~(2+)标准曲线的绘制  51-52
    4.2.5 纳米羟基磷灰石对 Zn~(2+)和 Cd~(2+)的吸附  52-53
    4.2.6 Zeta 电位的测定  53
    4.2.7 羟基磷灰石悬浮液加入金属离子后的滴定  53
    4.2.8 表面络合平衡常数的确定  53
  4.3 结果与讨论  53-67
    4.3.1 吸附动力学  53-55
    4.3.2 初始离子浓度对吸附效果的影响  55-58
    4.3.3 温度对吸附效果的影响  58
    4.3.4 pH 对吸附效果的影响  58-61
    4.3.5 Zeta 电位测定  61-63
    4.3.6 加入金属离子后羟基磷灰石的滴定  63-65
    4.3.7 表面络合平衡常数的计算  65-67
  4.4 小结  67-69
第五章结论  69-71
参考文献  71-78
致谢  78-79
附录 A 攻读学位期间发表论文目录  79

纳米羟基磷灰石的制备和表征及其对重金属离子吸附行为的研究

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