納米吸附材料的制備及其在染料廢水處理中的應(yīng)用

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1、第1章緒論第1章緒論1.1概述納米技術(shù)是近年來(lái)崛起的一門(mén)嶄新技術(shù)，它是在現(xiàn)代物理學(xué)與先進(jìn)工程技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上誕生的，是一門(mén)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用探索緊密聯(lián)系的新型科學(xué)技術(shù)。納米技術(shù)被公認(rèn)為是21世紀(jì)最具有前途的科研領(lǐng)域，現(xiàn)在已經(jīng)成為當(dāng)今世界活躍的研究熱點(diǎn)之一。所謂納米技術(shù)是指在納米尺度(0.1nm-100nm)上，研究物質(zhì)(包括原子和分子)的特性和相互作用，以及利用這些特性的多學(xué)科相互滲透的高新技術(shù)。它使人類(lèi)的認(rèn)識(shí)和改造物質(zhì)世界的手段和能力延伸到原子和分子水平，其最終目標(biāo)是以物質(zhì)在納米尺度上表現(xiàn)出來(lái)的特性制造具有特定功能的產(chǎn)品即納米材料，并

2、使之微型化，實(shí)現(xiàn)其生產(chǎn)方式的跨越式發(fā)展，這將對(duì)人類(lèi)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，改變?nèi)藗兊乃季S和生活方式。納米材料是80年代中期發(fā)展起來(lái)的一種具有全新結(jié)構(gòu)的材料，由于它具有與傳統(tǒng)的材料極不相同的性能，因此對(duì)納米材料的認(rèn)識(shí)應(yīng)該不斷加深和豐富，并且對(duì)它的研究也逐漸集中在具有一定功能的納米結(jié)構(gòu)材料方面。1.2納米材料的概況所謂納米，是一種度量單位，即米的十億分之一。納米介于宏觀世界和微觀世界之間，也被稱(chēng)為介觀世界。納米微粒是指顆粒尺寸為納米級(jí)的超細(xì)微粒，它的尺寸大于原子簇，小于普通的微粒。一般所謂的納米材料可以將其廣義地理解為在三維空間中至少有一維處于納

3、米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。1984年，Gleiter等人首次將納米粉末壓制成納米固體塊狀材料，從此納米材料的制備、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)成為國(guó)際研究熱點(diǎn)，形成了納米材料學(xué)。1武漢工業(yè)學(xué)院碩士學(xué)位論文由于納米粒子的晶粒小、比表面積大，其表面能和表面張力隨著粒徑的減小而急劇增大，也就是到納米尺度時(shí)，形態(tài)的變化反饋到物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性能上，就會(huì)顯示出最基本的奇異的四大效應(yīng)。即小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。它在電子、光學(xué)、化工、陶瓷、生物和醫(yī)藥等諸多方面的應(yīng)用而引起人們的高度重視。1.3納米材料的特性1.3.1小尺寸效應(yīng)

4、當(dāng)納米微粒尺寸與光波的波長(zhǎng)、傳導(dǎo)電子的德布羅意波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或穿透深度等物理特征尺寸相當(dāng)時(shí)，晶體周期性的邊界條件將被破壞，聲、光、力、熱、電、磁、內(nèi)壓、化學(xué)活性等與普通粒子相比均有很大變化，這就是納米粒子的小尺寸效應(yīng)(也稱(chēng)體積效應(yīng))。如納米微粒的熔點(diǎn)可以遠(yuǎn)低于塊狀金屬；強(qiáng)磁性納米顆粒(Fe-Co合金等)為單疇臨界尺寸時(shí)，具有較高的矯頑力等。1.3.2表面效應(yīng)納米微粒由于尺寸小、表面積大、表面能高，位于表面的原子占相當(dāng)大的比例，這些表面原子處于嚴(yán)重的缺位狀態(tài)。因此，其活性極高，極不穩(wěn)定，遇見(jiàn)其它原子時(shí)很快結(jié)合，使其穩(wěn)定化，這種

5、活性就是表面效應(yīng)。納米材料的表面效應(yīng)不但引起表現(xiàn)原子的輸運(yùn)和構(gòu)型變化，而且可引起自旋構(gòu)像和電子能譜的變化。1.3.3量子尺寸效應(yīng)當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)會(huì)由準(zhǔn)連續(xù)態(tài)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象和納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(jí)，能隙變寬現(xiàn)象均稱(chēng)為量子尺寸效應(yīng)。納米微粒的聲、光、電、磁、熱以及超導(dǎo)性與宏觀特性有著顯著的不同。對(duì)于多數(shù)金屬納米微粒，其吸收光譜恰好處于可見(jiàn)光波段，從而成為光吸收黑體；對(duì)于半導(dǎo)體納米材料，可觀察到光譜線隨微粒尺寸減小而產(chǎn)生光譜線藍(lán)移現(xiàn)象，同時(shí)具有光學(xué)非線性效

6、應(yīng)。2武漢工業(yè)學(xué)院碩士學(xué)位論文1.3.4宏觀量子隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)是指微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力。后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，如磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效應(yīng)，稱(chēng)之為宏觀量子隧道效應(yīng)。宏觀量子隧道效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)共同確定了微電子器件進(jìn)一步微型化的極限和采用磁帶磁盤(pán)進(jìn)行信息儲(chǔ)存的最短時(shí)間。[1]1.3.5介電限域效應(yīng)介電限域是納米微粒分散在異質(zhì)介質(zhì)中由于界面引起的體系介電增強(qiáng)的現(xiàn)象，這種介電增強(qiáng)通常稱(chēng)為介電限局，主要來(lái)源于微粒表面和內(nèi)部局域強(qiáng)的增強(qiáng)。當(dāng)介質(zhì)的比微粒的折射率相差很大時(shí)，產(chǎn)生了折射率邊界，這就導(dǎo)致微粒表面和內(nèi)部

7、的場(chǎng)強(qiáng)比入射場(chǎng)強(qiáng)明顯增加，這種局域強(qiáng)的增加稱(chēng)為介電限域。一般來(lái)說(shuō)，過(guò)渡族金屬氧化物和半導(dǎo)體微粒都可能產(chǎn)生介電限域效應(yīng)。納米微粒的介電限域?qū)馕?、光化學(xué)、光學(xué)非線性等會(huì)有重要的影響。1.3.6其它特性從化學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，納米微粒又具有吸附、分散、團(tuán)聚和流變學(xué)特性。納米微粒由于有大的比表面積和表面原子配位不足，具有較強(qiáng)的吸附性；納米微粒較高的比表面積會(huì)引起粒子間的團(tuán)聚，為了防止團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生，可以加入反絮凝劑、表面活性劑對(duì)微粒進(jìn)行表面修飾。同時(shí)，也可以利用納米微粒的吸附性能吸附去除環(huán)境廢水中難以去除的有機(jī)染料。由于納米具有上述特殊效應(yīng)，使

8、它在光學(xué)、催化、化學(xué)活性等方面具有不同于普通材料的優(yōu)良性能，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。1.4國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)納米材料的研究從上世紀(jì)70年代納米顆粒材料問(wèn)世，到80年代中期在實(shí)驗(yàn)室合成了納米塊體材料，已經(jīng)成為材料科學(xué)和凝