酸碱度及金属离子浓度对纳米二氧化钛的物性影响本科毕业论文.doc

酸碱度及金属离子浓度对纳米二氧化钛的物性影响
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指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师： （签名） 单位： （盖章）
年 月 日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
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3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师： （签名） 单位： （盖章）
年 月 日

教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
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2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

评定成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）
年 月 日
教学系意见：
系主任： （签名）
年 月 日

摘要：随着纳米科技的迅速发展，纳米材料广泛应用于人类日常生产生活中。装修材料中的纳米二氧化钛即可杀菌防霉，又可降解有机污染物；处理水污染问题时使用纳米二氧化钛可以对重金属离子进行混凝吸附效应，达到去除重金属离子的结果。而在什么条件下用纳米二氧化钛与环境中污染物的相互作用效率较高的研究并不多。本文针对不同酸碱度、金属离子类型、结合时间、金属离子浓度对纳米二氧化钛的物性影响进行了一系列的研究，得出pH在不同时间下其作用产物的粒径与Zeta电位。

关键词：重金属、纳米二氧化钛、吸附、粒径、Zeta电位

Abstract: With the rapid development of nanotechnology, Nano materials are widely used in our daily life. The decoration materials in nanometer titanium dioxide can be bactericidal, and degradation of organic pollutants. Nano TiO2 was found to treat pollution problem due to its coagulation adsorption effect and show great effect to remove heavy metal ions. However, there were few research on the interaction of high efficiency for pollutants and nanometer titanium dioxide in different environmental conditions. The particle size and Zeta potential of TiO2 nanoparticles were measured under different water conditions including pH, concentration of metal ions and binding time.

Key words: Heavy metal; Nano titanium dioxide; Adsorbent; Particle size; Zeta potential

1 引言
纳米二氧化钛是一种应用非常广泛的纳米材料，装修材料中的纳米二氧化钛即可杀菌防霉，又可降解有机污染物；处理水污染问题时使用纳米二氧化钛可以对重金属离子进行混凝吸附效应，达到去除重金属离子的结果。而在不同水化学条件下用纳米二氧化钛与环境中污染物的相互作用效率较高的研究并不多。本研究目的为：探索纳米二氧化钛在不同pH下，与不同金属离子的不同浓度下的反应产物的物理性质（如粒径、表面电位），为其在环境中的影响提供理论依据，并为后续的研究探寻好方向[1-2]。
2 实验
2.1 实验药品
纳米二氧化钛溶液、NaCl、NaOH、HCl、Cu(NO3)2·3H2O、K2Cr2O7、Pb(NO3)2、Zn(NO3)2·6H2O以上均为分析纯试剂，以及去离子水。
2.2 实验方法
2.2.1 配置实验试剂
①用250mL容量瓶分别配置5mg/mL的Cr2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+溶液。
②称取5.85gNaCl分析纯晶体配置0.001mol/mL的NaCl溶液。
③配置0.1mg/mL的TiO2溶液。
④分别取0.5mL含Cr2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+溶液（均为5mg/mL）、0.05mLNaCl溶液（0.001mol/mL），配置成50mL混合溶液，将pH分别调至约为：3/4/5/6/7/8/9/10。
⑤分别取0.5mL含Cr2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+溶液（均为5mg/mL）、0.05mLNaCl溶液（0.001mol/mL），配置成50mL混合溶液，调节pH至3。
⑥分别配置50mL Cr2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+0.1/0.3/0.5/0.7/0.9/1/10/100 ug/ml的相应溶液、并与0.05mLNaCl溶液（0.001mol/mL）混合，调节pH至7[3]。
2.2.2检测分析
在用Zeta Size分析仪送样检测前，取1.5ml配置好的纳米二氧化钛试剂于配好的试剂中，混合均匀后立即装至样品池中进行检测其粒子粒径与Zeta电位。
3 结果与结论
3.1 实验结果
3.1.1 不同pH下各金属离子对纳米二氧化钛的影响
（1）不同pH下，Cr2+对纳米二氧化钛的物性影响
pH
3.13
4.13
5.15
6.23
7.04
8.07
8.94
9.93
粒径（nm）
1186
138.4
123.8
128.4
127.8
123.4
122.1
127.0
Zeta电位
（mv）
0.239
-22.3
-31.4
-33.2
-35.2
-34.3
-35.1
-39.6

（2）不同pH下，Pb2+对纳米二氧化钛的物性影响
pH
3.15
4.02
4.94
5.97
6.91
8.10
8.97
9.95
粒径（nm）
557.9
130.4
129.5
132.6
131.7
134.7
133.3
134.4
Zeta电位（mv）
-12.8
-27.0
-34.2
-33.7
-37.5
-35.6
-38.6
-36.1

（3）不同pH下，Zn2+对纳米二氧化钛的物性影响
pH
3.27
4.28
5.02
6.11
7.12
8.21
9.06
9.96
粒径（nm）
404.2
124.1
130.6
133.1
138.1
133.3
130.5
130.4
Zeta电位（mv）
-13.6
0.0960
-32.1
-33.5
-34.1
-32.0
-37.2
-34.3

（4）不同pH下，Cu2+对纳米二氧化钛的物性影响
pH
3.16
3.96
5.13
5.95
7.12
7.93
9.06
10.09
粒径（nm）
1041
153.9
122.9
124.0
125.5
128.4
127.4
130.8
Zeta电位（mv）
-4.40
0.698
-29.8
-33.9
-35.4
-0.555
-0.395
-0.278

由以上四组数据可推断pH小于等于3时，粒径为最大，而pH>4时粒径变小且趋于稳定。
3.1.2 不同结合时间下各金属离子对纳米二氧化钛的影响
（1）溶液pH=3时Cr2+对纳米二氧化钛的物性影响
Cr2+
0min
3min
6min
9min
12min
15min
18min
21min
24min
27min
粒径（nm）
216.6
230.2
253.2
276.8
318.5
406.8
410.9
551.5
694.8
819.9
Zeta电位（mv）
-16.6
-17.6
-18.4
-19.4
-18.6
-18.6
-19.9
-19.0
-18.3
-18.7

（2）溶液pH=3时Pb2+对纳米二氧化钛的物性影响
Pb2+
0min
3min
6min
9min
12min
15min
18min
21min
24min
27min
粒径（nm）
228.8
257.1
323.9
452.2
618.4
787.9
951.7
1120
1154
1388
Zeta电位（mv）
-16.2
-18.1
-18.0
-16.7
-16.4
-16.7
-17.2
-15.5
-15.9
-16.2

（3）溶液pH=3时Zn2+对纳米二氧化钛的物性影响
Zn2+
0min
3min
6min
9min
12min
15min
18min
21min
24min
27min
粒径（nm）
229.6
248.7
304.6
338.3
399.2
562.4
551.6
666.2
760.6
847.5
Zeta电位（mv）
-16.1
-17.8
-19.6
-17.6
-17.4
-17.1
-16.5
-17.2
-17.0
-16.2

（4）溶液pH=3时Cu2+对纳米二氧化钛的物性影响
Cu2+
0min
3min
6min
9min
12min
15min
18min
21min
24min
27min
粒径（nm）
245.2
318.6
410.4
464.2
643.3
730.3
913.2
998.0
1117
1363
Zeta电位（mv）
-15.4
-16.4
-16.7
-17.5
-16.4
-16.1
-16.6
-16.7
-15.2
-14.7

3.1.3重金属浓度对纳米二氧化钛的物性影响
（1）溶液pH=7时Cr2+浓度对纳米二氧化钛的物性影响
Cr2+（ug/ml）
0.1
0.3
0.5
0.7
0.9
1
10
100
粒径（nm）
134.0
134.8
139.4
143.0
146.5
130.5
132.3
130.0
Zeta电位（mv）
-31.5
-31.9
-34.0
-35.6
-33.9
-33.8
-33.5
-34.6

（2）溶液pH=7时Cu2+浓度对纳米二氧化钛的物性影响
Cu2+（ug/ml）
0.1
0.3
0.5
0.7
0.9
1
10
100
粒径（nm）
143.0
144.2
143.8
146.0
146.5
128.2
129.4
127.9
Zeta电位（mv）
-25.1
-31.5
-30.9
-34.2
-35.2
-18.9
-34.9
-32.9

（3）溶液pH=7时Pb2+浓度对纳米二氧化钛的物性影响
Pb2+（ug/ml）
0.1
0.3
0.5
0.7
0.9
1
10
100
粒径（nm）
143.2
143.3
144.2
141.6
142.4
134.9
147.0
148.1
Zeta电位（mv）
-34.5
-35.5
-34.0
-35.4
-37.3
-34.1
-35.5
-35.1

（4）溶液pH=7时Zn2+浓度对纳米二氧化钛的物性影响
Zn2+（ug/ml）
0.1
0.3
0.5
0.7
0.9
1
10
100
粒径（nm）
145.1
145.5
144.7
149.1
146.2
143.7
144.7
144.6
Zeta电位（mv）
-33.8
-35.6
-35.0
-36.1
-36.3
-30.9
-36.6
-34.5

以上四大组数据差异不大。

3.2结果分析
3.2.1 溶液pH对纳米二氧化钛的物性影响
由于各种金属离子在不同pH值溶液中会发生不同程度的电离作用，从而影响纳米二氧化钛表面的双电层特性，继而影响其颗粒絮凝程度。因此，我们首先研究了不同金属离子在不同pH值时对纳米二氧化钛的影响，通过实验3.1.1数据发现其变化趋势相同，即仅在pH=3时影响最大（Cu2+在pH较高的时候其Zeta电位有波动现象），在其他pH值时影响甚微，故将pH=3时的情况又单独进行试验[3-5]。
3.2.2 不同结合时间对纳米二氧化钛的物性影响
我们根据文献查得这四种金属离子在溶液pH>4时均会发生不同程度的水解，影响其在水中的金属离子浓度，从而对纳米二氧化钛的影响不大。而当溶液pH控制在3左右时，溶液中金属离子主要以离子形式存在，进而纳米二氧化钛与其发生作用，产生絮凝。对实验3.1.2进行数据处理以及分析，不难发现，初始纳米二氧化钛粒径几乎一致，随着时间变化，其粒径均在持续上升，其中Cu2+与Pb2+对其影响更大，但是Zeta电位并没有明显的变化，但是可以看出其有上升趋势。可以推测，金属离子可以促进纳米二氧化钛的絮凝。查金属活动性顺序，Zn、Cr、Pb、Cu的电势能φA/V分别为：-0.762、-0.744、-0.126、+0.342，可知，Cu与Pb的金属活动性不强，其对应水溶液离子则表现为氧化性，在pH=3条件下促进溶液水解电离，从而影响纳米二氧化钛表面双电子层特性，继而促进了其絮凝[2][5][6]。
3.2.3不同金属离子浓度对纳米二氧化钛的物性影响
对实验3.1.3进行数据处理以及分析，在pH接近7时，不同金属离子浓度对纳米二氧化钛的影响不大，建议后续实验重点研究强酸性及强碱性环境下的不同因素对纳米二氧化钛物性的影响。
我们在实验过程中发现，在pH=3时，金属离子的浓度也会影响粒径的大小，因为实验3.1.1中金属离子溶液是用5ml移液枪取的，而3.1.2中金属离子溶液是用1ml移液枪取的，而两组实验pH=3的数据相差较大，具体原因需更多实验来证明[7-8]。
4 结论与展望
通过测定不同金属离子在不同pH下对纳米二氧化钛的粒径以及Zeta电位，研究结果表明，不同金属离子在pH=3溶液条件下，可以迅速使纳米二氧化钛溶液产生絮凝，其中Cu2+与Pb2+对其影响更大，主要表现在其絮凝速率更快。因此可得出，金属离子在一定程度上影响了纳米二氧化钛的物理性质，促进其产生絮凝，降低了纳米材料的比表面积，从而导致吸附能力下降。可以推论，纳米材料会与金属离子发生作用，在pH<3时纳米材料更易与金属离子结合。粒径大小与pH值、结合时间、金属离子浓度及种类有关。Zeta电位大小与粒径及金属离子种类有关[2-3]。

致谢：本次科技活动得到了研二学姐王明秀的大力支持，在此过程中学姐指导我们完成了实验的设计部分，并为我提供了论文的修改意见。

参考文献：
[1] 史跃岗.二氧化钛纳米颗粒粒径影响因素的研究[D].大连理工大学，2008.12
[2] 刘艳静.纳米SiO2对Pb2+污染水源水混凝过程的影响[A].环境工程学报，Vol.9，No.10,2015
[3] Influence of Ionic Strength, pH, and Cation Valence on Aggregation Kinetics of Titanium Dioxide Nanoparticles， Environ. Sci. Technol. 2009, 43, 1354–1359
[4] 孙林涛、王纪云、赵春旭、束华东、王 熙、刘艳华、杨力生，纳米微球粒径的影响因素研究，化学工程师，2015年第八期
[5] J. MICHAEL BERG, AMELIA ROMOSER, NIVEDITA BANERJEE, REMA ZEBDA &CHRISTIE M. SAYES，The relationship between pH and zeta potential of ~ 30 nm metal oxide nanoparticle suspensions relevant to in vitro toxicological evaluations，Nano toxicology, December 2009; 3(4): 276–283
[6] 施踏青，纳米二氧化钛材料对金属离子吸附行为的研究及其应用，硕士学位论文，2015.12
[7] 王慧云、崔亚男、张春燕，影响胶体粒子Zeta电位的因素，中国医药导报，2010年7月第7卷第20期
[8] 姜 军、徐仁扣，离子强度对三种可变电荷土壤表面电荷和Zeta电位的影响，土壤，2015,47（2）：422-426