毕业设计论文介孔二氧化硅材料对重金属离子吸附性能研究

论文题目：介孔二氧化硅材料重金属离子吸附性能研究 学院：昆明理工大学环境科学与工程学院 专业：再生资源科学与技术 班级：再生081 学号：2 姓名： 指导老师： 毕业论文 Kunming University of Science and TechnologyGraduation ThesisThesis Title :The adsorption properties of mesoporous silica materials for heavy metal ionCollege : Environmental Science and Engineering CollegeSpecialty : Renewable resources, science and technologyClass :081Student ID :200810703112Name :Chen DaweiTeacher :Zhu Wenjie目录第一章、绪论71.1 国内水环境污染现状及危害71.2 水体重金属污染的治理方法71.2.1 物理化学方法7(1) 稀释法7(2) 混凝沉淀法7(3) 离子还原法和交换法8(4) 电动力学修复技术8(5) 吸附处理技术81.2.2 生物修复法10(1) 植物修复法10(2) 动物修复法10(3) 微生物修复法111. 3 介孔二氧化硅材料简述111.3.1多孔无机材料的分类111.3.2具有有序孔道结构介孔材料的发现121.3.3介孔二氧化硅材料12(1) 合成的基本特征13(2) 生成机理13(3) 介孔氧化硅的结构141.3.4 介孔材料的研究展望14第二章、实验152.1实验设备和试剂152.2 实验152.2.1铜离子吸附实验15(1) 不同吸附剂在不同浓度溶液中的吸附性能测试15(2) 不同吸附剂在不同吸附时间下的吸附性能测试16(3) 不同吸附剂不同用量下的吸附性能测试162.2.2 铅离子的吸附试验16(1) 不同吸附剂在不同浓度溶液中的吸附性能测试17(2) 不同吸附剂在不同吸附时间下的吸附性能测试17(3) 不同吸附剂不同用量下的吸附性能测试17(4) 介孔二氧化硅材料在不同PH下吸附性能测试182.2.3Cd2+的吸附试验18(1) 不同吸附剂在不同浓度溶液中的吸附性能测试18(2) 不同吸附剂在不同吸附时间下的吸附性能测试18(3) 不同吸附剂不同用量下的吸附性能测试19(4) 介孔二氧化硅材料在不同pH下吸附性能测试19第三章、实验结果处理与分析203.1 计算公式203.2 铜离子吸附结果分析203.2 铅离子吸附结果分析243.3 Cd2+吸附结果分析27第四章、结论与建议31一. 结论31二.建议31致谢32参考文献33附录35表1 对铜离子吸附的结果和处理35表2 对铅离子吸附的结果和处理37表3 对Cd2+吸附的结果和处理39介孔二氧化硅材料对重金属离子吸附性能研究摘要：简要介绍了重金属离子对环境的污染和目前所应用的治理水体重金属污染的方法，着重叙述了介孔二氧化硅材料的发展及其在重金属吸附中发挥的作用。本文重点比较了介孔二氧化硅、沸石、硅藻土的重金属离子的吸附性能，对含Cu2+、Pb2+、Cd2+的溶液进行了静态吸附实验，初步确定了介孔二氧化硅对不同离子吸附的最佳条件。实验结果表明：沸石对Cu2+、Pb2+、Cd2+的吸附容量分别为17.255 mg/g、39.35 mg/g、17.75 mg/g；硅藻土对Cu2+、Pb2+、Cd2+吸附容量分别为16.28 mg/g、32.475 mg/g、17.5 mg/g；介孔二氧化硅材料对Cu2+、Pb2+、Cd2+吸附容量分别达到35.6mg/g、51.37 mg/g、28.1 mg/g。关键词：重金属污染，介孔二氧化硅，吸附实验Adsorption properties of mesoporous silica materials for heavy metalAbstract: A brief introduction to the heavy metal ion pollution for the environment and the current treatments to the heavy metal pollution, In particular, describes the development of mesoporous silica materials and the role in heavy metal adsorption. We focused on comparing the adsorption properties of mesoporous silica, zeolite, diatomaceous earth for heavy metal ions, carried out the static adsorption experiments for the solution of Cu2 +、Pb2 + and Cd2 + , initially determined the optimal conditions of mesoporous silica for different ion adsorption. Experimental results show that:The adsorption capacity of Zeolite for Cu2 +、Pb2 + and Cd2 + are 17.255 mg/g、39.35 mg/g and 17.75 mg/g, respectively; The adsorption capacity of diatomaceous earth for Cu2 +、 Pb2 + and Cd2 + are 16.28 mg/g、 32.475 mg/g and 17.5 mg/g, respectively;The adsorption capacity of mesoporous silica materials for Cu2 +、Pb2 + and Cd2 + are 35.6 mg/g、 51.37 mg/g and 28.1 mg/g, respectively.Keywords:heavy metal pollution; mesoporous silica; adsorption experiments第一章、绪论1.1 国内水环境污染现状及危害我国水体重金属污染问题十分突出，江河湖库底质的污染率高达80.1%。此外，由于矿山开采、金属冶炼废水排放、污水灌溉等人为因素的影响，导致重金属污染物在土壤中累积，使农产品的产量和质量下降。重金属在水体中积累到一定的限度就会对水体-水生植物-水生动物系统产生严重危害，并可能通过食物链直接或间接地影响到人类的自身健康，例如日本由于汞污染引发的“水俣病”和由镉污染造成的“骨痛病”就是典型例证。因此可以说水体重金属污染已经成为当今世界上最严重的环境问题之一，而如何科学有效地解决重金属对水体的污染已经成为世界各国政府以及广大环保工作者研究的热点。1.2 水体重金属污染的治理方法总的来说，水体重金属污染修复治理采用以下两条基本途径，一是降低重金属在水体中的迁移能力和提高生物可利用性；二是将重金属从被污染水体中彻底清除。1.2.1 物理化学方法(1) 稀释法稀释法就是把被重金属污染的水混入未污染的水体中，从而降低重金属污染物浓度，减轻重金属污染的程度。此法适于受重金属污染程度较轻的水体的治理，这种方法不能减少排入环境中的重金属污染物的总量，又因为重金属有累积作用，当重金属污染物在这些水体中的浓度达到一定程度时，生活在其中的生物就会受到重金属的影响，发生病变和死亡等现象，所以这种处理方法目前渐渐被否定。(2) 混凝沉淀法许多重金属在水体溶液中主要以阳离子存在，加入碱性物质，使水体PH 值升高，能使大多数重金属生成氢氧化物沉淀。另外，其它众多的阴离子也可以使相应的重金属离子形成沉淀。所以，向重金属污染的水体施加石灰、NaOH、Na2S 等物质，能使很多重金属形成沉淀去除，降低重金属对水体的危害程度。这是目前国内处理重金属污染普遍采用的方法。(3)离子还原法和交换法离子还原法是利用一些容易得到的还原剂将水体中的重金属还原，形成无污染或污染程度较轻的化合物，从而降低重金属在水体中的迁移性和生物可利用性，以减轻重金属对水体的污染。例如，电镀污水中常含有六价铬离子（Cr6+），它以铬酸离子（Cr2O72-）的形式存在，在碱性条件下不易沉淀且毒性很高，而三价铬毒性远低于六价铬，但六价铬在酸性条件下易被还原为三价铬。因此，常采用硫酸亚铁及三氧化硫将六价铬还原为三价铬。离子交换法是利用重金属离子交换剂与污染水体中的重金属物质发生交换作用，从水体中把重金属交换出来，达到治理目的。经离子交换处理后，废水中的重金属离子转移到离子交换树脂上，经再生后又从离子交换树脂上转移到再生废液中。这类方法费用较低，操作人员不直接接触重金属污染物，但适用范围有限，并且容易造成二次污染。(4)电动力学修复技术电修复法是20 世纪90 年代后期发展起来的水体重金属污染修复技术，其基本原理是给受重金属污染的水体两端加上直流电场，利用电场迁移力将重金属迁移出水体。Ridha 等提出，在一个碳的毡状电极上，用电沉积法从工业废水中除去铜、铬和镍的技术。另外，可以用电浮选法净化含有铜、镍、铬和锌等重金属的工业污水。此外，近年来还有人把电渗析薄膜分离技术应用到污水重金属处理实践当中。(5)吸附处理技术吸附处理技术是指利用某些材料强大的吸附性能来去除水中污染物的技术，用得最多的是活性炭。肖克艰组用粉末活性炭(PAC)对河水进行了处理，投加30-40mg/l PAC后对CODm的去除在50左右，对TOC去除约为25，对氨氮去除效果不好，为l0-20之间。另外，PAC对矿物油有较好的吸附效果。目前常用吸附剂有活性炭(AC)、硅藻土、二氧化硅、活性氧化铝、沸石、离子交换树脂。活性炭(AC)具有丰富微孔结构和表面憎水性，其对水中某些污染物有极强的亲和力，是污染物有效的去除方法。但是作为微反应器活性炭的孔结构不均一，热稳定性较差。硅藻土、活性氧化铝、离子交换树脂也存在相同的缺陷。沸石对水中氨氮具有选择吸附作用，除了吸附性能外沸石还具有离子交换性能，催化性能，热稳定性及耐酸性等。在沸石晶格中的空腔中K、Na、Ca等阳离子和水分子与格架结合得不紧，极易与其周围水溶液里的阳离子发生交换作用，交换后的沸石晶格结构也不被破坏。沸石分子筛具有分子大小的均匀孔道结构，连续的孔道体系以及大的晶内比表面等特性，对不同分子有很强的吸附性能，在分子分离、离子交换、工业择形催化反应及污水处理等方面有着广泛的应用。80年代以来，国内外在沸石分子筛开发方面取得了许多新进展，首先是美国联碳公司合成了20余种新型AIPO分子筛，打破了沸石分子筛由硅氧四面体和铝氧四面体组成的传统观念。由于受Pentasil型拓扑结构所限，孔道尺寸只有0.55mm左右，当与动力学直径大于0.6nm的有机物分子反应时，因不能进入其孔道内部而无反应活性，故在应用方面受到了一定的限制。1992年美国Mobil公司的Beck等用液晶模板技术台成出了孔径在1.5-100nm范围内孔径可调的新型分子筛M41S族，其中McM-41是M41S中的典型代表，其孔道一维均匀呈六方有序排列同时具有很大的比表面积(700m2g)和吸附容量0.7cm3g)，突破了以往分子筛如VPl-5、Cloverite等微孔晶体孔径不超过12nm的界限，以MCM-41为代表的中孔分子筛的出现，标志着沸石分子筛的合成由微孔进人中孔材料阶段，也为其在水处理方面拓展了应用范围。MCM-41具有很高的比表面积，良好的吸附性能及较窄的孔径分布范围(以CTAB为模板剂，孔径分布中心约为3.5-3.8nm)。Behren等曾给出MCM-41的X射线衍射图，在极小的衍射角区域出现一些特征峰，属六方晶格的特征反射，当衍射角大于6度，却没有峰出现。Beck等采用不同链长度的烷基三甲基铵为原料，制备了硅型MCM-41分子筛，并研究了XRD衍射、间距、孔尺寸、孔壁厚和烷基链长之间的关系结果表明，含硅的MCM-41分子筛的孔壁厚约为1nm，与理论计算的孔壁厚相一致(Si-O键长0.16nm，Si-O-Si健角150度。可计算出孔壁厚为1nm)。Iiewell等测定了MCM-41的水汽吸附等温线，开始阶段水分子表现为排斥，随后水分子发生毛细凝聚作用，曲线形状属V型特征，说明MCM-41表面既有亲水性叉能呈憎水性，TGA研究得出纯硅型MCM-41为憎水性，而硅铝型略带亲水性。固体吸附剂对重金属的排放具有吸附作用,并且吸附剂对不同的重金属元素的吸附有选择性。吸附剂吸附重金属元素是通过物理吸附和化学吸附,其中它们在吸附过程中是共存的。通过添加固体吸附剂来抑制重金属的排放被广泛认为是一项有前景的技术。固体表面的气体与液体有在固体表面自动聚集，以求降低表面能的趋势。固体表面的气体或液体的浓度高于其本体浓度的现象，称为固体的表面吸附。1.2.2 生物修复法目前国内外利用生物修复水体重金属污染的研究很多，根据所用的生物对象不同，可分为以下三种。(1) 植物修复法植物修复（PHytoremediation）是指利用特定植物实施污染环境治理的技术统称，通过植物对重金属元素或有机物质的特殊富集和降解能力来去除环境中的污染物，或消除污染物的毒性，达到污染治理与生态修复的目的。自从美国科学家Chaney在1983 年首先提出利用植物来清除重金属污染的设想以来，很多国家开展了植物修复技术的研究和应用工作，并取得了长足进展。制约植物修复技术发展的一个关键问题，是要筛选出既能耐受重金属污染又能大量富集重金属的植物种类。迄今为止，国内外已有较多学者开展了利用植物修复重金属污染水体的研究，并得到了诸多有价值的成果，所采用的比较常见的植物有向日葵、燕麦、大麦、豌豆、烟草、印度芥菜、莴苣等。Salt 等研究指出，印度葵能从污水中积累不同的重金属。陈俊等研究指出，李氏禾适宜于湿生环境中生长，且能对多种重金属产生较强的富集作用，在Cr、Cu、Ni等重金属污染水体的修复中表现出广阔的应用前景。凤眼莲、水芹能很好地除掉污水中的Cd、Cr 和Cu 等重金属。(2) 动物修复法应用一些优选的鱼类以及其它水生动物品种在水体中吸收、富集重金属，然后把它们从水体中驱出，以达到水体重金属污染修复的目的。水体底栖动物中的贝类、甲壳类、环节动物等也对重金属具有一定富集作用。如三角帆蚌、河蚌对重金属（Pb2+、Cu2+、Cr2+ 等）具有明显自然净化能力。但此法处理周期长，费用高，因此目前水生动物主要用作环境重金属污染的指示生物，用于污染治理的不多。而微生物与重金属之间也存在着复杂的相互作用关系，影响着重金属存在的种类和有效性，因此可以改变植物对重金属的吸收和转移。（3） 微生物修复法重金属污染水体的生物修复机理主要包括微生物对重金属的固定和形态的转化。前者是微生物通过带电荷的细胞表面吸附重金属离子，或通过摄取必要的营养元素主动吸收重金属离子，将重金属富集在细胞表面或内部；后者是通过微生物的生命活动改变重金属的形态或降低重金属的生物有效性，从而减轻重金属污染，如Cr6+ 转变成Cr3+ 而毒性降低，As、Hg、Se等还原成单质态而挥发，微生物分泌物对重金属产生钝化作用等。研究表明，氰细菌和藻类的菌绒可有效除去污水中的重金属。硫酸还原细菌产生H2S，将重金属离子还原为ZnS、CdS 和CuS 等水溶性极低的硫化物沉淀下来，达到治理重金属污染的目的。1. 3介孔二氧化硅材料简述有序介孔材料在分离和吸附领域也有独特应用。在温度为20-80范围内，有序介孔材料具有可迅速脱附的特性，而且吸附作用控制湿度的范围可由孔径的大小调控。同传统的微孔吸附剂相比，有序介孔材料对氩气、氮气、挥发性烃和低浓度重金属离子等有较高的吸附能力。采用有序介孔材料不需要特殊的吸附剂活化装置，就可回收各种挥发性有机污染物和废液中的铅、汞等重金属离子。而且有序介孔材料可迅速脱附、重复利用的特性使其具有很好的环保经济效益。131多孔无机材料的分类多孔无机材料的最初定义源自于其吸附性能，分子筛（molecular sieve）即得名于此，由McBain于1932年提出，用于描述一类具有选择性吸附的材料。因此，通常以孔的特征来区分不同的多孔材料，国际纯粹和应用化学协会(IUPAC)根据多孔材料直径（d）的大小，把多孔材料分为三类：微孔挂料(microporous materialsd2nm)、介孔材料（mesoporous materials 2d50nm）.而根据结构特征，多孔材料可以分成两类：无序结构材料(无定形) 和有序孔结构材料(一定程度有序)。无序孔结构材料缺少长程有序的结构、孔大小分布不均一并且孔分布很宽；两有序孔结构材料则反之。1.3.2具有有序孔道结构介孔材料的发现有序的介孔材料的合成早在1971年就已开始，日本的科学家们在1990年也开始了它的合成工作，只是在1992年Mobil公司M41S系列介孔材料的报道才引起了人们的广泛关注，并被认为是有序介孔材料的真正开始。至于为什么早于1992年的工作没有被强烈关注，这里就不在阐述。 M41S系列介孔材料包括MCM-41(六方相)、MCM-48(立方相)、MCM-50(层状结构)。合成该材料的核心思想是用表面活性剂在溶液中形成的超分子结构为模版，通过溶胶-凝胶过程，在无机物于有机物之间的界面引导作用下，自组装成介孔材料。它们具有以下特点：（1）孔径较大(2nm),且孔径分布很窄；（2）有规则的孔道，在纳米尺度有序排列；（3）具有无定形的孔壁，原子尺度孔壁原子呈无序排列。介孔材料的发现，不仅将分子筛由微孔范围扩展至介孔范围，而且在微孔材料（沸石等）与大孔材料（硅凝胶、活性炭等）之间架起了一座桥梁。在多孔材料研究领域，这是一个里程碑式成果，因为尽管无机微孔晶体具有优良的催化、吸附、分离及离子交换等性能，但其孔径较小，限制了大分子在孔内的吸附和组装；尽管通过种种努力得到了有序的较大的微孔材料，但终究还是孔径较小。因此，其受到关注是理所当然，而短短十余年间，发表的各类研究论文、专利、知识介绍、新闻等已经很多，介孔材料及有关的介观结构的研究已经发展为一个独立的领域。1.3.3介孔二氧化硅材料具有周期性结构的介孔材料按他们的组成和结构目前也被划分为一下五类：（1）具有不同孔道结构，孔尺寸以及孔体积的介孔氧化硅材料；（2）表面改性的介孔氧化硅材料；（3）含有有机成分的介孔氧化硅杂化材料；（4）孔壁中含有其他金属（杂原子）的介孔氧化硅材料；（5）非硅基无机介孔材料。本节对介孔氧化硅材料在做详细的简单介绍。(1)合成的基本特征一般地，介孔材料的合成过程可以归结为：在一定条件下（PH、温度、浓度等），无机物种与有机物模板相互作用形成了介孔材料。典型的介孔材料的生成主要分为两个阶段：（1）有机-无机液晶相（介观结构）的生成。利用具有双亲性质（含有亲水和疏水基团）的表面活性剂有机分子与可聚合无机单体分子或多聚物（无机源）在一定的合成条件下自组装生成有机物与无机物的液晶状态结构相。并且此结构相具有纳米尺寸的晶格常数。（2）介孔材料的生成是利用高温热处理或其他物理化学方法脱除有机模板剂（表面活性剂），所留下的空间即构成介孔孔道。（2）生成机理 与介孔材料的合成报道同时而来的是对介孔材料的形成机理的探讨，基于不同的实验结果，人们提出了不少的模型。所有的模型都认为：表面活性剂起了结构导向的作用。分歧在于：无机前驱体的聚合程度和结构，自组装过程中无机有机杂化前驱体的结构，无机有机表面之间的相互作用。最后一点似乎是问题的关键，因为试验中通过对其作用的调变，获得了大量的介孔材料。对于生成机理的讨论，1992-1996年最为热烈。Mobil公司的科研人员最早提出了液晶板机理，认为是表面活性剂生成的液晶作为MCM-41结构的模板剂。表面活性剂的液晶相是在加入无机反应物之前，或是再加入无机反应物之后形成的。在加入无机反应物之前生成表面活性剂的液晶相的说法很快被否定了，因为实际该体系中合成介孔相需要的表面活性剂量要远远少于生成液晶相所需要的表面活性剂量。 与液晶模板机理相似，Mobil公司提出的协同作用机理认为表面活性剂生成的液晶作为形成MCM-41结构的模板剂，但是表面活性剂的液晶相是在加入无机反应物之后形成的，无机离子的加入，与表面活性剂相互作用，按照自组装方式排列成六方有序的液晶结构。形成表面活性剂介观相（mesoPHase）是胶束和无机物种相互作用的结果，这种相互作用表现为胶束加速无机物种的缩聚过程主要由于有机相与无机相界面之间复杂的相互作用（如静电吸引力、氢键作用或配位键等）导致无机物种在界面的浓缩而产生。(3)介孔氧化硅的结构 许多研究集体根据各自不同的研究目的，利用不同的界面组装作用，使用不同的表面活性剂和无机物种形成特定的合成体系，成功地合成出了大量不同结构、组成、形貌和孔径大小的介孔材料、为促进介孔材料在不同领域和不同目的的应用、开发奠定了基础。其结构特征可概况为： a、丰富的孔道结构,二维六方结构（p6mm）:MCM-41、SBA-15、SBA-3;立方孔道结构：MCM-48、FDU-5;一维层状结构：MCM-50;三维体心立方结构：SBA-16;三维简单立方结构：SBA-1、SBA-6;三维面心立方结构：FDU-12、KIT-5等。b、多样的外部形貌，介孔材料的有效应用不仅与其内在的孔道结构有关，更与其宏观形态、微观形貌密切联系。而从学术研究而言，介孔材料形貌的控制与生物矿化、仿生化学等等有一定的相关性。因此，介孔材料的形貌研究从介孔材料发现以来，就成为介孔材料研究领域的一大热点。有宏观形态：膜、球、纤维、单块；微米级的形貌：球、棒、“单晶”、纤维及其它形貌；介孔纳米粒子；多级有序介孔材料；介孔孔道的定向生长；1.3.4介孔材料的研究展望 有序介孔材料一诞生就得到国际物理学、化学与材料学界的高度重视，并迅速发展成为跨学科的研究热点之一，许多研究人员纷纷投入这一领域。有序介孔材料虽然目前尚未获得大规模的工业化生产，但它所具有的孔道大小均匀、排列有序、孔径可在2nm到100nm范围内连续调节等特性，使其在化学工业、信息技术、生物技术、环境能源等领域具有重要的应用，也为物质的物理和化学行为等基本问题的研究提供了模型物，因此，有序介孔材料备受关注。 第二章、实验 2.1实验设备和试剂表2-1 实验设备仪器名称型号生产厂家原子吸收光谱仪Z200日立恒温振荡器THZ-C江苏太仓市实验设备厂离心机800台式上海医疗器械（集团）有限公司实验室PH计Starter 3C奥豪斯仪器(上海)有限公司表2-2 实验药品实验药品生产厂家规格硝酸铜天津大茂化学试剂厂分析纯硝酸铅天津市风船化学试剂科技有限公司分析纯四水合硝酸镉天津市科密欧化学试剂有限公司分析纯NaOH广东西陇化工有限公司分析纯HCl天津市大茂化学试剂厂分析纯2.2 实验2.2.1铜离子吸附实验（1）不同吸附剂在不同浓度溶液中的吸附性能测试 分别称取介孔二氧化硅材料0.1g放入不同的锥形瓶内，用1000mg/l的铜标准溶液配制5mg/l、10mg/l、20mg/l、40mg/l、80mg/l、120mg/l 、160mg/l、200mg/l铜溶液各100ml,加入锥形瓶中，用恒温振荡器于25下以189转速下震荡24h后取样.分别称取沸石0.2g放入不同的锥形瓶内，用1000mg/l的铜标准溶液配制5mg/l、10mg/l、20mg/l、40mg/l、80mg/l、120mg/l 、160mg/l、200mg/l铜溶液各100ml,加入锥形瓶中，用恒温振荡器于25下以189转速下震荡24h后取样. 分别称取硅藻土0.2g放入不同的锥形瓶内，用1000mg/l的铜标准溶液配制5mg/l、10mg/l、20mg/l、40mg/l、80mg/l、120mg/l 、160mg/l、200mg/l铜溶液各100ml,加入锥形瓶中，用恒温振荡器于25下以189转速下震荡24h后取样. （2）不同吸附剂在不同吸附时间下的吸附性能测试 分别称取介孔二氧化硅材料0.1g放入不同的锥形瓶内，用1000mg/l的铜标准溶液配制20mg/l铜溶液100ml分别加入各锥形瓶内，用恒温振荡器于25下以189转速，分别在30min、60min、90min、120min、240min、360min、480min、600min取样。（3）不同吸附剂不同用量下的吸附性能测试 分别称取介孔二氧化硅材料0.1g、0.2g、0.5g、1.0g放入不同锥形瓶内，用1000mg/l的铜标准溶液配制20mg/l的铜溶液100ml分别加入各锥形瓶内，用恒温振荡器于25下以189转速下震荡24后取样。 分别称取沸石材料0.1g、0.2g、0.5g、1.0g放入不同锥形瓶内，用1000mg/l的铜标准溶液配制20mg/l的铜溶液100ml分别加入各锥形瓶内，用恒温振荡器于25下以189转速下震荡24后取样。 分别称取硅藻土材料0.1g、0.2g、0.5g、1.0g放入不同锥形瓶内，用1000mg/l的铜标准溶液配制20mg/l的铜溶液100ml分别加入各锥形瓶内，用恒温振荡器于25下以189转速下震荡24后取样。（4）介孔二氧化硅材料在不同pH下吸附性能测试 分别称取介孔二氧化硅材料0.1g放入不同锥形瓶内，用1000mg/l的铜标准溶液配制20mg/l的铜溶液100ml并分别调节pH至3、4、5、6、7然后加入锥形瓶内。用恒温振荡器于25下以189转速下震荡24后取样。2.2.2铅离子的吸附试验（1）不同吸附剂在不同浓度溶液中的吸附性能测试 分别称取介孔二氧化硅材料0.1g放入不同的锥形瓶内，用1000mg/l的铅标准溶液配制5mg/l、10mg/l、20mg/l、40mg/l、80mg/l、120mg/l 、160mg/l、200mg/l铅溶液各100ml,加入锥形瓶中，用恒温振荡器于25下以189转速下震荡24h后取样. 分别称取沸石0.2g放入不同的锥形瓶内，用1000mg/l的铅标准溶液配制5mg/l、10mg/l、20mg/l、40mg/l、80mg/l、120mg/l 、160mg/l、200mg/l铅溶液各100ml,加入锥形瓶中，用恒温振荡器于25下以189转速下震荡24h后取样. 分别称取硅藻土0.2g放入不同的锥形瓶内，用1000mg/l的铅标准溶液配制5mg/l、10mg/l、20mg/l、40mg/l、80mg/l、120mg/l 、160mg/l、200mg/l铅溶液各100ml,加入锥形瓶中，用恒温振荡器于25下以189转速下震荡24h后取样. （2）不同吸附剂在不同吸附时间下的吸附性能测试 分别称取介孔二氧化硅材料0.1g放入不同的锥形瓶内，用1000mg/l的铅标准溶液配制20mg/l铅溶液100ml分别加入各锥形瓶内，用恒温振荡器于25下以189转速，分别在30min、60min、90min、120min、240min、360min、480min、600min取样。分别称取沸石材料0.2g放入不同的锥形瓶内，用1000mg/l的铅标准溶液配制20mg/l铅溶液100ml分别加入各锥形瓶内，用恒温振荡器于25下以189转速，分别在30min、60min、90min、120min、240min、360min、480min、600min取样。分别称取硅藻土材料0.1g放入不同的锥形瓶内，用1000mg/l的铅标准溶液配制20mg/l铅溶液100ml分别加入各锥形瓶内，用恒温振荡器于25下以189转速，分别在30min、60min、90min、120min、240min、360min、480min、600min取样。（3）不同吸附剂不同用量下的吸附性能测试 分别称取介孔二氧化硅材料0.1g、0.2g、0.5g、1.0g放入不同锥形瓶内，用1000mg/l的铅标准溶液配制20mg/l的铅溶液100ml分别加入各锥形瓶内，用恒温振荡器于25下以189转速下震荡24后取样。分别称取沸石材料0.1g、0.2g、0.5g、1.0g放入不同锥形瓶内，用1000mg/l的铅标准溶液配制20mg/l的铅溶液100ml分别加入各锥形瓶内，用恒温振荡器于25下以189转速下震荡24后取样。分别称取硅藻土材料0.1g、0.2g、0.5g、1.0g放入不同锥形瓶内，用1000mg/l的铅标准溶液配制20mg/l的铅溶液100ml分别加入各锥形瓶内，用恒温振荡器于25下以189转速下震荡24后取样。（4）介孔二氧化硅材料在不同PH下吸附性能测试 分别称取介孔二氧化硅材料0.1g放入不同锥形瓶内，用1000mg/l的铅标准溶液配制20mg/l的铅溶液100ml并分别调节pH至3、4、5、6、7然后加入锥形瓶内。用恒温振荡器于25下以189转速下震荡24后取样。2.2.3Cd2+的吸附试验（1）不同吸附剂在不同浓度溶液中的吸附性能测试 分别称取介孔二氧化硅材料0.1g放入不同的锥形瓶内，用1000mg/l的镉标准溶液配制5mg/l、10mg/l、20mg/l、40mg/l、80mg/l、120mg/l 、160mg/l、200mg/l镉溶液各100ml,加入锥形瓶中，用恒温振荡器于25下以189转速下震荡24h后取样. 分别称取沸石0.2g放入不同的锥形瓶内，用1000mg/l的镉标准溶液配制5mg/l、10mg/l、20mg/l、40mg/l、80mg/l、120mg/l 、160mg/l、200mg/l镉溶液各100ml,加入锥形瓶中，用恒温振荡器于25下以189转速下震荡24h后取样. 分别称取硅藻土0.2g放入不同的锥形瓶内，用1000mg/l的镉标准溶液配制5mg/l、10mg/l、20mg/l、40mg/l、80mg/l、120mg/l 、160mg/l、200mg/l镉溶液各100ml,加入锥形瓶中，用恒温振荡器于25下以189转速下震荡24h后取样. （2）不同吸附剂在不同吸附时间下的吸附性能测试分别称取介孔二氧化硅材料0.1g放入不同的锥形瓶内，用1000mg/l的镉标准溶液配制20mg/l镉溶液100ml分别加入各锥形瓶内，用恒温振荡器于25下以189转速，分别在30min、60min、90min、120min、240min、360min、480min、600min取样。分别称取沸石材料0.2g放入不同的锥形瓶内，用1000mg/l的镉标准溶液配制20mg/l镉溶液100ml分别加入各锥形瓶内，用恒温振荡器于25下以189转速，分别在30min、60min、90min、120min、240min、360min、480min、600min取样。分别称取硅藻土材料0.2g放入不同的锥形瓶内，用1000mg/l的镉标准溶液配制20mg/l镉溶液100ml分别加入各锥形瓶内，用恒温振荡器于25下以189转速，分别在30min、60min、90min、120min、240min、360min、480min、600min取样。（3）不同吸附剂不同用量下的吸附性能测试分别称取介孔二氧化硅材料0.1g、0.2g、0.5g、1.0g放入不同锥形瓶内，用1000mg/l的镉标准溶液配制20mg/l的镉溶液100ml分别加入各锥形瓶内，用恒温振荡器于25下以189转速下震荡24后取样。分别称取沸石材料0.1g、0.2g、0.5g、1.0g放入不同锥形瓶内，用1000mg/l的镉标准溶液配制20mg/l的镉溶液100ml分别加入各锥形瓶内，用恒温振荡器于25下以189转速下震荡24后取样。 分别称取硅藻土材料0.1g、0.2g、0.5g、1.0g放入不同锥形瓶内，用1000mg/l的镉标准溶液配制20mg/l的镉溶液100ml分别加入各锥形瓶内，用恒温振荡器于25下以189转速下震荡24后取样。（4）介孔二氧化硅材料在不同pH下吸附性能测试 分别称取介孔二氧化硅材料0.1g放入不同锥形瓶内，用1000mg/l的镉标准溶液配制20mg/l的镉溶液100ml并分别调节pH至3、4、5、6、7然后加入锥形瓶内。用恒温振荡器于25下以189转速下震荡24后取样。第三章、实验结果处理与分析3.1 计算公式 数据处理是对去除率和吸附容量的计算 式中：qe为平衡吸附量(mgg-1)；C0为 Cu2+的初始质量浓度(mgL-1)；Ce为平衡质量浓度(mgL-1)； 为去除率(%)；V 为溶液体积(mL)；m为吸附剂用量(g)。3.2铜离子吸附结果分析图3-1为不同吸附剂在对不同浓度铜离子溶液的吸附容量图。从图3-1看出，随着溶液浓度增加，不同吸附剂的吸附容量也随之增加，而介孔二氧化硅材料增长率高于其他两种吸附剂，在相同浓度下，介孔二氧化硅材料的吸附容量也高于其他两种材料。介孔二氧化硅材料一直呈现增长趋势，在浓度为200mg/l时达到最大。而其他两种吸附剂在120mg/l和160mg/l时基本达到饱和, 沸石、硅藻土、介孔二氧化硅最大吸附容量分别是17.255mg/g、16.28 mg/g、35.6 mg/g。平衡吸附量逐渐增大，原因是由于随着Cu2+浓度的升高，使Cu2+和吸附剂表面接触的机会增加，有利于充分利用吸附剂的吸附位点。 图3-1 不同吸附剂在对不同浓度铜离子溶液的吸附容量变化图3-2为不同吸附剂在不同用量时吸附容量图。图中显示随着吸附剂用量增加，吸附容量随之降低。对于相同浓度的溶液，吸附剂增加有利于提高去除率。原因是对于相同的剂量的离子，增加吸附剂用量，提高了Cu2+与吸附剂表面接触的机会，这样就使大部分离子被吸附。介孔二氧化硅在0.5g用量下去除率达到了最好为99.86%；沸石在1.0g用量下去除率达到了最好为92.62%；硅藻土在1.0g用量下达到最好为99.68%。同时显示出介孔二氧化硅材料的优越性，是因为它具有较高的比表面积和孔容。图3-2 不同吸附剂在不同用量时吸附容量图3-3为介孔二氧化硅不同时间下吸附容量图。从图3-3可以了解到随着时间的增加，Cu2+逐渐被介孔二氧化硅吸附，但变化较为缓慢。虽然在360分钟时出现高峰值11.85mg/g,但我们观察到对同样浓度的溶液（20mg/l）吸附24小时后吸附容量可达21.64mg/g,所以我们认为吸附还是在继续的，并未达到吸附平衡。 图3-3 介孔二氧化硅不同时间下吸附容量图3-4(a)为介孔二氧化硅在不同pH下的吸附容量图。图3-4(b)为介孔二氧化硅在不同pH下的去除率。图3-4(a)显示随着pH增加，吸附容量逐渐增加，渐而趋于平缓。图3-4（b）显示随着pH增加，去除率随之增加到变化平缓。图3-4(a)看出在介孔二氧化硅材料对铜离子的吸附在pH为5左右显示出很好的吸附性能。此实验吸附剂投加量为1 gL-1，吸附温度为25 ，震荡时间为24h，取Cu2+初始质量浓度为20 mgL-1 研究pH 值对活性炭吸附性能的影响。介孔二氧化硅对Cu2+的吸附率随pH 值的增加而增加。pH=5 时去除率和吸附量最佳，分别为95.54%和21.22 mgg-1。分析原因，pH 值对溶液中Cu2+的存在形态及对吸附剂上官能团的活性产生影响。不同pH 值条件下溶液中存在Cu2+的形态主要以Cu2+存在，吸附剂与Cu2+间存在静电斥力，而且pH 值越小，斥力越大；同时H+和Cu2+存在竞争吸附，因此，Cu2+的去除率较低。pH 在5-7之间，吸附剂与Cu2+间的静电斥力减小，吸附剂表面易与带电荷的离子吸附。离子在吸附过程中与介孔二氧化硅表面的羟基、羧基等含氧官能团发生如式 (3)-(5)的离子交换反应及氢键吸附如式(6)，同时Cu2+在水溶液中水解出现CuOH+，溶剂化能降低，使其更易接近固相表面，其易与吸附剂表面的羟基发生离子交换反应，使吸附量逐渐增大。当pH 过高时溶液呈胶体状态不易固液分离，且不利于吸附剂的循环使用。吸附剂对Cu2+吸附的最佳pH 值为5-6。2(ROH)+Cu2+2(RO)Cu+2H+ （3）ROH+CuOH+(RO)CuOH+H+ （4）2RCCOOH+Cu2+(RCCOO)2Cu+2H+ （5）2(ROH)+Cu(OH)2(ROH)2Cu(OH)2 （6） 图3-4（a） 介孔二氧化硅在不同pH下对Cu2+的吸附性能测试图3-4（b） 介孔二氧化硅在不同pH下对Cu2+的去除率3.2铅离子吸附结果分析图3-5为不同吸附剂对不同浓度铅离子溶液的吸附容量图。图3-5看出随着溶液浓度增加，不同吸附剂的对Pb2+的吸附量也随之增加，但溶液浓度达到120mg/l的时候，不同吸附剂的吸附容量基本不变，表明已达到饱和。介孔二氧化硅为51.37mg/g，沸石为39.35mg/g，硅藻土为32.475mg/g。另外，可以看出在同等条件下介孔二氧化硅材料的吸附效果是最好的。平衡吸附量逐渐增大，这主要原因是由于随着Pb2+浓度的升高，使Pb2+和吸附剂表面接触的机会增加，有利于充分利用吸附剂的吸附位点。 图3-5 不同吸附剂对不同浓度铅离子溶液的吸附容量变化图3-6为不同吸附剂不同用量的吸附容量图。吸附剂用量增加，吸附容量随之降低。不同吸附剂对于100ml的20mg/l的Pb2+溶液的吸附都显示了很好的性能。从去除率看，介孔二氧化硅在0.1g用量时就达到100%，沸石在0.2g时达到100%，而硅藻土则是在0.5g时达到100%，表明介孔二氧化硅材料对铅离子的良好吸附能力。原因是增加吸附剂用量，提高了Pb2+与吸附剂表面接触的机会，使大部分离子被吸附。同时显示出介孔二氧化硅材料的优越性，主要原因是它具有较大比表面积和孔容。 图3-6 不同吸附剂不同用量的吸附图3-7为不同吸附剂在不同时间下的吸附容量图。图3-7可知，随吸附时间的增加，介孔二氧化硅吸附容量也随之增加480min后吸附容量增加不明显，而沸石和硅藻土则变化较小。因此介孔二氧化硅的平衡吸附时间为480min。 图3-7 不同吸附剂在不同时间下的吸附性能测试图3-8(a)为介孔二氧化硅在不同pPH值下铅离子的吸附容量图。图3-8(b)为介孔二氧化硅在不同pH值下铅离子的去除率。图3-8(a)显示随着pH增加,吸附容量随之增加，随后趋于平缓。图3-8（b）显示随着pH增加，去除率随之增加，然后趋于平缓。吸附剂投加量为1 gL-1，吸附温度为25 ，震荡时间为24h，取Pb2+初始质量浓度为20 mgL-1 研究pH 值对介孔二氧化硅吸附性能的影响。如图可知，介孔二氧化硅对Pb2+的去除率随pH值从3-5的增加而增加，而5-7则变化不明显。当pH=5为时，去除率和吸附容量最佳，分别为100%和18.7 mgg-1。原因是随pH值的减小，溶液中的H+的浓度增加，将与Pb2+形成竞争从而降低其吸附容量。因此吸附剂对Pb2+吸附的最佳pH 值为4-5。 图3-8（a） 介孔二氧化硅在不同pH下对铅离子吸附性能0204060801001203.063.985.095.956.96pH去除率%介孔二氧化硅图3-8（b） 介孔二氧化硅在不同pH下对铅离子去除率3.3 Cd2+吸附结果分析图3-9不同吸附剂对不同浓度Cd2+溶液的吸附容量图。从图3-9可知，随着溶液浓度的增加，吸附容量呈现增长趋势。对于沸石和硅藻土而言，当浓度达到80mg/l以后，其吸附容量分别达到17.75mg/g和17.5mg/g，其后变化不大，甚至出现下降；而介孔二氧化硅材料，当浓度达到120mg/l后，其吸附容量达到最大为28.1mg/g，然后变化也不大。相同条件下，介孔二氧化硅材料的吸附性能优于沸石和硅藻土。平衡吸附量逐渐增大，原因是由于随着Cd2+浓度的升高，使Cd2+和吸附剂表面接触的机会增加，有利于充分利用吸附剂的吸附位点。 图3-9 不同吸附剂对不同浓度Cd2+溶液的吸附性能图3-10为不同吸附剂不同时间下吸附容量图。反映出在600min以内，三种材料随着时间增长，其对Cd2+的吸附变化不大。介孔二氧化硅材料吸附性能优于其他两种吸附剂。原因是于20mg/l离子浓度的溶液，吸附剂用量为1g/l时，吸附温度为25 时，对于Cd2+的吸附过程是很快的，在很短的时间内Cd2+便充溢了吸附剂表面和内部，使吸附达到静态平衡。 图3-10 不同吸附剂不同时间下吸附性能图3-11为不同吸附剂不同用量下吸附容量图。图3-11显示随着吸附剂用量增加，吸附容量随之降低。介孔二氧化硅材料和硅藻土在0.5g时，达到对20mg/l的Cd2+溶液较好去除效果，而沸石则在1g时到到较好的吸附效果。原因对于相同的剂量的离子，增加吸附剂用量，提高了Cd2+与吸附剂表面接触的机会，这样就使大部分离子被吸附。同时显示出介孔二氧化硅材料的优越性，因为它具有较高的比表面积和孔容。 图3-11 不同吸附剂不同用量下吸附性能图3-12（a）为介孔二氧化硅在不同pH下对Cd2+吸附容量图。图3-12（b）为介孔二氧化硅在不同pH下对Cd2+去除率。图3-12（a）显示，在pH在3-7之间时，较高的pH利于介孔二氧化硅对Cd2+吸附。图3-12（b）显示,随着pH增加，去除率随之增加而后趋于平缓。此实验吸附剂投加量为1 gL-1，吸附温度为25 ，震荡时间为24h，取镉离子初始质量浓度为20 mgL-1 研究PH 值对介孔二氧化硅吸附性能的影响。介孔二氧化硅对镉离子的吸附率随pH 值从3-7的增加而增加。pH=7时去除率和吸附量最佳，分别为41.4%和8.9mgg-1。分析原因，随pH值的减小，溶液中的H+的浓度增加，将与Cd2+形成竞争从而降低其吸附容量。介孔二氧化硅对Cd2+吸附的最佳pH 值为6-7。 图3-12（a） 介孔二氧化硅在不同pH下对Cd2+吸附性能图3-12（b） 介孔二氧化硅在不同pH下对Cd2+去除率第四章、结论与建议一. 结论 （1）对于Cu2+吸附在25时介孔二氧化硅对铜离子的吸附最佳条件PH 为5.0-6.0之间，吸附剂的投加质量浓度为5 gL-1，介孔二氧化硅对Cu2+的去除率可达99.86%。介孔二氧化硅材料对Cu2+最大吸附容量35.6mg/g。 （2）介孔二氧化硅对Pb2+的吸附在25时最佳条件PH 为4.0-5.0之间，吸附剂的投加质量浓度为1 gL-1，介孔二氧化硅对Pb 2+的去除率可达100%。介孔二氧化硅材料对Pb2+的最大吸附容量为51.37 mg/g。 （3）介孔二氧化硅对Cd2+的吸附在25时最佳条件PH 为6.0-7.0之间，吸附剂的投加质量浓度为5 gL-1，介孔二氧化硅对Cd2+的去除率可达100%。介孔二氧化硅材料对Cd2+的最大吸附容量为28.1 mg/g。（4）PH是影响吸附的重要因素。随pH值的减小，溶液中的H+的浓度增加，将与重金属离子形成竞争从而降低吸附剂吸附容量。二.建议通过实验结果,可知在同等条件下,考察的三种吸附剂中，介孔二氧化硅材料具有较好的重金属离子吸附性能。但由于时间有限,一方面未能考察温度对介孔材料的吸附性能的影响，未能获得介孔二氧化硅的最佳吸附条件和较为准确的最大吸附容量；另一方面,因为对每种金属离子的实验只进行了一次,这样难免因为人为的误差增加了实验的误差,所以在以后的实验中应增加平行实验减小误差以得到更加可靠的实验数据。还有就是材料本身的因素,比如材料的制备,怎样才能制备出比表面积和孔容更大，孔道结构更为规整的材料,以提高其金属离子的吸附性能。因此我们需要在材料制备方面不断摸索,希望能找到很合适的方法和条件制备出性能更为优良的介孔二氧化硅材料。致谢 本次研究是在朱文杰老师的指导和带领下完成的。研究过程中，我深深被朱文杰老师一丝不苟的态度和宽以待人的德行所打动。朱老师提出了科学的实验方法和进行步骤使我的实验能够顺利有效进行。在实验和论文写作过程中我犯了许多错误和误解，非常感谢朱老师能够包容且细心的指导。同时对本次实验提供无私帮助的李明明学长表示感谢。谢谢你们！参考文献1周怀东,彭文启等.水环境与水环境修复M.北京:化学工业出版社, 2005.2顾征帆,吴蔚.太湖底泥中重金属污染现状调查与评价J.甘肃科技2005,12.3成新.太湖流域重金属污染亟待重视J.水资源保护,2002(4): 39- 41.4黄海涛,陈俊,刘杰等.电镀厂尾水重金属对附近水稻田的环境影响J.广西师范大学学报（自然科学版）,2006,24(3):99- 102.5杨璐,胡澄. 铬污染水体修复技术研究进展J.广西轻工业,2008（7）: 96- 97.6David E. Salt Ingrid J Pickering, R oger C Prince, et al. Metal accumulation by aquacultured seedings of Indian mustardJ.Environmental Science and Technology,1997,(31):1636- 1644.7陈俊,王敦