畢業(yè)論文《ZnO粉體制備、燒結(jié)和吸附性能研究》

1、zno粉體制備.燒結(jié)和吸附性能研究中文摘要h前，重金屬水污染問題h益嚴重。尋求無毒和低成本的重金加離子脫除劑 對嚴重的水污染治理尤為重要。眾所周知，氧化鋅（zno） -種難溶于水的無機 無毒物質(zhì)，已在塑料、涂料和氣敏器件等方面得到了廣泛的應(yīng)用。然而，有關(guān) zno在污水中重金屬離子的脫除方面研究和報道較少。木文首先釆用直接沉淀 燉燒法制備出了 zno粉體；接著，制備出了 zno燒結(jié)體；最后，對比研究了兩 種形態(tài)和結(jié)構(gòu)的zno材料對水屮高濃度的cif+的吸附特性。取得的主耍結(jié)論如 下：1、多孔性zno粉體能快速吸附水中cu2+o吸附量freundlich模型，即cu2+ 在zno粉體上的吸附為多層

2、吸附機理。2、zno粉體與cu?+在水屮的相互作用比較復(fù)雜，初步認為是水小的cu2+ 與zno表而的oh發(fā)生化學(xué)配位作用。這種配位作用時間短，作用力強。3、zno燒結(jié)陶瓷對水屮ci嚴也有很強的吸附作用，但和zno粉體相比，其 吸附時間長。飽和吸附量與燒結(jié)體的致密度關(guān)系不人。4、zno燒結(jié)體對c0的吸附機理離子擴散機制：即c0通過擴散形式從水 中進入到zno晶格間隙中。而有關(guān)這部分內(nèi)容還有待進一步深入研究。關(guān)鍵詞：zno粉體；微結(jié)構(gòu)；燒結(jié)；吸附fabrication and absorption properties of powdery and sintered znoabstractrece

3、ntly, heavy metal pollution has become a serious problem. it is particularly important for control of serious water pollution that searching for non-toxic and low cost of heavy metal ions removal agent as everyone knows, zinc oxide, a water-insoluble inorganic non-toxic substances, has been widely u

4、sed in the plastics, coatings and the gas sensing device and other aspects. however, the zno in the removal of heavy metal ions in waste water research and reported less. however,the researches and reports about zno removal of heavy metal ions in the wastewater. firstly, vs prepared zno by direct pr

5、ecipitation - calcined powdenthen, preparation of zno sintered body.finally, comparative study of two kinds of morphology and structure of zno materials on high concentrations of cu2+ adsorption characteristics. the main conclusions are as follows:1、porous zno powder can rapid adsorption of cu2+.ads

6、orption quantity freundlich model, that is zno powder on cu" adsorption is multilayer adsorption.2、zno powder is interaction complex with cu2+ in water,it9s preliminary think that cu2+ in water produces chemical complexation with oh" on surface of zno. the complexing reaction is short and

7、powerful3、zno sintered ceramics has the very strong adsorption on cu2+ in water.but,compared to zno powder： the time of adsorption is longer.relationship between saturated adsorption amount and sintered density is little.4、the mechanism of zno sintering body adsorbents cu2+,ion diffusion mechanism:c

8、u2 “ removes from the water into zno gaps in the grid by diffusion. however, this part of the contents to be further in-depth study.keywords： zno powder, microstructure, sinter, adsorption第1章緒論41.1 zno結(jié)構(gòu)與性能41zno的結(jié)構(gòu)41.2納米zno的性能表征51.3納米zno的表面改性51.4納米zno力學(xué)性能61.5納米zno的吸附性能61.2 zno 制備71.2.1化學(xué)沉淀法71.2.2水熱合

9、成法81.2.3噴霧熱分解法91.3 zno 應(yīng)用91.4木文研究內(nèi)容與意義11第2章zno粉體的制備及其對cu"的吸附122zno粉體制備122.1.2方案設(shè)計122.1.3實驗流程圖132.1.4實驗原料132.1.5實驗儀器132.2 zno粉體表征132.3 zno粉體吸附性能142.4木章小結(jié)17第3章zno多孔陶瓷制備及其吸附特性183.1 zno粉體成形183.2 zno粉體燒結(jié)193.3 zno燒結(jié)體形態(tài)與結(jié)構(gòu)193.4 zno燒結(jié)體對cu"的吸附特性203.5 zno燒結(jié)體吸附cu"的機理213.6本章小結(jié)22第4章全文總結(jié)與展望23參考文獻24

10、第1章緒論1.1 zno結(jié)構(gòu)與性能氧化鋅（zno）,俗稱鋅白，是鋅的一種氧化物。難溶于水，可溶于酸和強 堿。氧化鋅是一種常用的化學(xué)添加劑，廣泛地應(yīng)用于塑料、硅酸鹽制品、合 成橡膠、潤滑油、油漆涂料、藥膏、粘合劑、電池、阻燃劑等產(chǎn)品 的制作中。氧化鋅的能帶隙和激子束縛能較人，透明度高，有優(yōu)界的常溫發(fā)光性 能，在半導(dǎo)體領(lǐng)域的液晶顯示器0、薄膜晶體管小、發(fā)光二極管等產(chǎn)品中均 有應(yīng)用。與傳統(tǒng)氧化鋅產(chǎn)品相比，其比表面積人、化學(xué)活性高，產(chǎn)品細度、化學(xué) 純度和粒子形狀可以根據(jù)需要進行調(diào)整，并且具有光化學(xué)效應(yīng)和較好的遮蔽紫外 線性能，其紫外線遮蔽率高達98%；同時，它還具有抗菌抑菌、祛味防酶等-系 列獨特性能

11、。此外，微顆粒的氧化鋅作為一種納米材料也開始在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮作 用。1.1.1 zno的結(jié)構(gòu)氧化鋅晶體有三種結(jié)構(gòu)：六邊纖鋅礦結(jié)構(gòu)、立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)，以及比較罕見 的氯化鈉式八面體結(jié)構(gòu)。纖鋅礦結(jié)構(gòu)在三者中穩(wěn)定性最高，因而最常見。立方閃 鋅礦結(jié)構(gòu)可由逐漸在表面生成氧化鋅的方式獲得。在兩種晶體中，每個鋅或氧原 子都與相鄰原子組成以其為中心的正四面體結(jié)構(gòu)。八面體結(jié)構(gòu)則只曾在100億 帕斯卡的高壓條件下被觀察到。六邊纖¥甸結(jié)構(gòu)立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)圖1-1氧化鋅晶體的兩種常見結(jié)構(gòu)纖鋅礦結(jié)構(gòu)、閃鋅礦結(jié)構(gòu)有中心對稱性，但都沒有軸對稱性。晶體的對稱性質(zhì)使得纖鋅礦結(jié)構(gòu)具有壓電效應(yīng)和焦熱點效應(yīng)，閃鋅礦結(jié)構(gòu)具有壓電效

12、應(yīng)。纖鋅礦結(jié)構(gòu)的點群為6 mm （國際符號表示），空間群是p63 mco晶格常量中,a = 3.25埃，c = 5.2埃;c/a比率約為1.60,接近1.633的理想六邊形比例。在半導(dǎo)體材料中，鋅、氧多以離子鍵結(jié)合，是其壓電性高的原因z-o1.1.2納米zno的性能表征納米級氧化鋅的突出特點在于產(chǎn)品粒子為納米級，同時具有納米材料和傳統(tǒng) 氧化鋅的雙重特性。與傳統(tǒng)氧化鋅產(chǎn)品相比，其比表面積大、化學(xué)活性高，產(chǎn)品 細度、化學(xué)純度和粒子形狀可以根據(jù)需要進行調(diào)整，并且具有光化學(xué)效應(yīng)和較好 的遮蔽紫外線性能，其紫外線遮蔽率高達98%；同時，它還具有抗菌抑菌、祛味 防酶等一系列獨特性能。清華大學(xué)分析測試屮心u

13、引用透射電鏡對產(chǎn)品進行了分析，納米氧化鋅粒子為 球形，粒徑分布均勻，平均粒徑2030納米，所有粒子的粒徑均在50納米以下。 經(jīng)st-a表面和孔徑測定儀測試，納米氧化鋅粉體的bet比表面積在35 m2/g以 上。此外，通過調(diào)整制備工藝參數(shù)，還可以生產(chǎn)出棒狀納米氧化鋅。本產(chǎn)品經(jīng)中 國科學(xué)院微生物研究所檢測鑒定，結(jié)果表明，在豐富細菌培養(yǎng)基中，加入 0.5 %1 %的納米氧化鋅，可有效抑制大腸桿菌的生長，抑菌率達99.9%以上。1.1.3納米zno的表面改性由于納米氧化鋅具有比表面積大和比表面能大等特點，自身易團聚；另一方 面，納米氧化鋅表面極性較強，在有機介質(zhì)中不易均勻分散，這就極大地限制了 其納米

14、效應(yīng)的發(fā)揮。因此對納米氧化鋅粉體進行分散和表面改性成為納米材料在 基體屮應(yīng)用前必要的處理手段。所謂納米分散i是指采用齊種原理、方法和手段在特定的液體介質(zhì)（如水） 中，將干燥納米粒了構(gòu)成的各種形態(tài)的團聚體還原成一次粒了并使其穩(wěn)定、均勻 分布于介質(zhì)中的技術(shù)。納米粉體的表面改性則是在納米分散技術(shù)基礎(chǔ)上的擴展和 延伸，即根據(jù)應(yīng)用場合的需要，在已分散的納米粒子表面包覆一層適當(dāng)物質(zhì)的薄 膜或使納米粒子分散在某種可溶性固相載體中。經(jīng)過表面改性的納米干粉體，其 吸附、潤濕、分散等一系列表面性質(zhì)都會發(fā)生變化，一般可以白動或極易分散在 特定的介質(zhì)中，因此使用非常方便。一般來講，納米粒了的改性方法有三種：1. 在粒

15、子表面均勻包覆一層其他物質(zhì)的膜，從而使粒子表面性質(zhì)發(fā)生變化；2.利 用電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合體（如硅烷、鈦酸酯等偶聯(lián)劑以及硬脂酸、有機硅等）作表面改 性劑對納米粒子表面進行化學(xué)吸附或化學(xué)反應(yīng)；3.利用電暈放電、紫外線、等 離子、放射線等高能量手段對納米粒子表面進行改性。根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域的要求，選擇適當(dāng)?shù)谋砻娓男詣┗虮砻娓男怨に?，對納米 氧化鋅進行表血改性，改善其表面性能，增加納米顆粒與基體之間的相容性，從 而應(yīng)用于齊種領(lǐng)域，提高產(chǎn)品的性能技術(shù)指標。1.1.4納米zno力學(xué)性能氧化鋅的硬度約為4.5,是一種相對較軟的材料。氧化鋅的彈性常數(shù)比氮化 鐐等iiiv族族半導(dǎo)體材料要小。氧化鋅的熱穩(wěn)定性和熱傳導(dǎo)性較

16、好，而冃沸點 高，熱膨脹系數(shù)低，在陶瓷材料領(lǐng)域有用武之地。在各種具有四面體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料中，氧化鋅有著最高的壓電張量。該特 性使得氧化鋅成為機械電耦合重要的材料之一。電學(xué)性質(zhì)在室溫下，氧化鋅的能帶隙約為3.3 ev,因此，純凈的氧化鋅是無色透明的。 高能帶隙為氧化鋅帶來擊穿電壓高、維持電場能力強、電子噪聲小、可承受功率 高等優(yōu)點。氧化鋅混入一定比例的氧化鎂或氧化鎘，會使能帶隙在34 ev之間 變化。即使沒有摻入任何其它物質(zhì)，氧化鋅具有n型半導(dǎo)體的特征。n型半導(dǎo)體 特征曾被認為與化合物原了的非整比性有關(guān)，而對純凈氧化鋅的研究則成為一個 反例。使用鋁、鐐、錮等第iii主族元素或氯、碘等鹵素可以調(diào)

17、節(jié)其n型半導(dǎo)體 性能。而更將氧化鋅制成p型半導(dǎo)體則存在一定的難度?？捎玫奶砑觿┌ㄤ?、 納、鉀等堿金屬元素，氮、磷、碑等第v主族元素，銅、銀等金屬，但都需要 在特殊條件下才具有效用。1.1.5納米zno的吸附性能由于納米氧化鋅顆粒尺寸的細微化，比表面積急劇增加，表面分子排布、電 子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)都發(fā)生變化，具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏 觀量子隧道效應(yīng)等，從而使納米氧化鋅具有一系列優(yōu)界的物理、化學(xué)、表面和界 面性質(zhì)，從而使納米材料具有一系列優(yōu)異的物理、化學(xué)、表面和界面性質(zhì)。由于 其顆粒尺寸的微細化，使得納米粉體在保持原有化學(xué)性質(zhì)的同時，還在磁性光學(xué) 催化化學(xué)活性吸附等方面表現(xiàn)出奇異

18、的性能，納米吸附材料相對于礦物吸附材料 以及工農(nóng)業(yè)廢棄物成本較高，但納米材料的可再生性能又是其不可忽略的一個優(yōu) 點。因此倍受人們的關(guān)注。在重金屬廢水的處理中，納米材料吸附法具有材料便宜易得，成本低，去除 效果好而且不會產(chǎn)生二次污染的特點。在實際運用屮需要考慮的問題是選擇最合 適的吸附材料，所以開發(fā)廉價新型的吸附劑是研究的主要目標。選材因素可從材 料的適用性材料的價格，材料的吸附效果，材料的可再生性等方面考慮，工業(yè)屮 常用納米氧化鋅吸附廢水屮的cu2+和cd2+,此外，吸附法處理重金屬離子的許 多研究工作述處于實驗室階段，需要更深的研究，以便更好地為工業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。1.2 zno制備納米氧化鋅粉體

19、的制備方法有多種，下面是介紹制備氧化鋅常用的三種方 法，并對它們進行比較。1.2.1化學(xué)沉淀法化學(xué)沉淀法分為直接沉淀法和均勻沉淀法.直接沉淀法ha®是制備超細氧化鋅廣泛采用的一種方法.其原理是在包含一 種或多種離子的可溶性鹽溶液中加入沉淀劑后，于一定條件下生成沉淀，并從溶 液屮析出，然后將陰離子除去，沉淀經(jīng)熱分解后制得產(chǎn)品.常見的沉淀劑為氨水 (nh3.h20),碳酸較等其反應(yīng)機理為：(1) 以nh3 h2o作沉淀劑zn2+2nh3 h2o -> zn(oh)2l+2nh4+(2) 以碳酸氮錢作沉淀劑2zn2+2nh4hco3 -> zn2 (oh)2co3i+2nh4+

20、zn (oh) 2 -> 2zno-t-co2t+h2o(3) 以草酸錢作沉淀劑zn2+ + (nh4)2c2o4+2h2o znc2o4-2h2o；+2nh4+znc2o4-2h2o -> znc2o4(s)+2h2oznc2o4 -> zno(s)+co2t+cot直接沉淀法操作簡便易行，對設(shè)備，技術(shù)需求不高,有良好的化學(xué)計量性，成 木較低，被國內(nèi)許多廠家所采用，但相對而言，產(chǎn)品質(zhì)量等級不高，這是因為該法 原溶液中陰離子的洗滌較困難，同時由丁沉淀過程容易出現(xiàn)局部過飽和現(xiàn)象，導(dǎo) 致得到的粒子粒徑分布較寬，分散性較差.均勻沉淀法是利用某一化學(xué)反應(yīng)(如冰素或六亞甲基四胺等的水解

21、反應(yīng)) 使沉淀劑由溶液中緩慢地，均勻地釋放hi來，從而可以在溶液中均勻地形成沉淀 最后經(jīng)熱分解獲得氧化鋅.h前，常用的均勻沉淀劑有六次甲基四胺和尿素，以 尿素作沉淀劑，發(fā)生以下反應(yīng)：(1) 分解反應(yīng) co(nh2)2+3h2o -> co2t+2nh3 h2o(2) 沉淀反應(yīng) zn2+2nh3 h2o zn(oh)2；+2nh4+(3) 熱處理 zn(oh)2 -> zno+h2o與直接沉淀法的易出現(xiàn)局部過飽和相比，由于均勻沉淀法中加入的尿索等沉 淀前驅(qū)體沒有立刻與被沉淀組分發(fā)生反應(yīng)，而是通過創(chuàng)造一定的化學(xué)環(huán)境(例如 增加反應(yīng)體系的溫度等)，使沉淀劑在整個溶液屮緩慢地析出，以達到盡

22、可能消除 局部過飽和在均勻沉淀過程屮，由于沉淀離子的而過飽和度在整個溶液中比較 均勻，所以沉淀物的顆粒均勻而致密,便于洗滌過濾，制得的產(chǎn)品粒度小，分布窄, 團聚少該法正逐步取代直接沉淀法,用來制備粒徑分布均勻的高檔次納米氧化 鋅粉體.1.2.2水熱合成法水熱法是一種制備優(yōu)質(zhì)超細粉體的濕化學(xué)方法。水熱法制備粉體t藝相對較 為簡單，不需要高溫灼燒處理，可直接得到結(jié)晶完好、粒度分布窄的粉體。近年 來，水熱法制備zrch、batio3> plzt等超細粉體得到了深入的研究岡。水熱 法制備陶瓷粉體在較低的溫度下進行，反應(yīng)速度并不很高，因此所得粉體粒度相 對于反應(yīng)速度較高的粉體制備方法(如氣相法等)

23、制得的粉體粒度更人"9】。為了加 快水熱反應(yīng)速度，可在水熱反應(yīng)體系屮增加其它措施，如加入微波場(即微渡水 熱)和反應(yīng)電極埋弧(resa)等。結(jié)果發(fā)現(xiàn)可使水熱反應(yīng)速度提高12個數(shù)量 級.并使產(chǎn)物粒度有所減少1絢。水熱法粉體制備是在物料恒定的條件下進行.如果采取一定的措施加快成 核速率，在一和對較短的時間內(nèi)形成足夠多的晶核.并在長大的晶粒數(shù)不太多之 前將體系中剩余溶質(zhì)消耗殆盡就可能使產(chǎn)物粒度有所減小.根據(jù)品休生長理論， 體系屮晶粒成核速率彈位體積單位時間內(nèi)形成的晶核數(shù))可表示為：j輙頰-c )式中，/叭為形成臨界晶核所需克服的能壘。對于溶液體系，b因子與溶液中溶 質(zhì)濃度成正比，也與流向晶

24、核表而的粒子流成正比.粒子流取決于體系中擴散速 率及晶核數(shù)的增加.溶液小溶質(zhì)離子、分子或離子團進入晶核時，必須斷裂其與 溶劑分了的連接，即需破壞溶劑化效應(yīng)，并且克服成核的能壘.整個過程(包括 溶劑化效應(yīng)的破壞和成核能壘的克服)所需的能量稱之為成核活化能它町通過實 驗加以確定。b因子子可寫為如下顯函數(shù)形式：b 蘭 47c/?2v6zexp(-el kt)式中，&為臨界晶核半徑，為溶液中溶質(zhì)的密度，。為溶質(zhì)分子運動平均自 由程，v為溶質(zhì)分子的震動頻率。通過上述分析，可知在不改變其它水熱反應(yīng) 條件下，如果在一相當(dāng)短的時間內(nèi)，使反應(yīng)物的濃度有極大的增加，就可大人加 快成核速率，從而達到減小產(chǎn)物

25、晶粒粒度的目的。這種方法目前述僅停留在研究開發(fā)階段，存在的問題主要是工藝設(shè)備復(fù)雜， 成本較髙，但被認為是一種很有產(chǎn)業(yè)化潛力的方法z1.2.3噴霧熱分解法噴霧熱解法1是將金屬鹽溶液以霧狀噴入高溫氣氛中，通過溶劑的蒸發(fā)及隨 后的金屬鹽熱分解，直接獲得納米氧化物粉體；或者是將溶液噴入高溫氣氛中干 燥,然后，經(jīng)熱處理形成粉體的方法該法制備的納米粉體純度高，分散性好，粒徑 分布均勻，化學(xué)活性好，并且工藝操作簡單，易于控制,設(shè)備造價低廉，是最具產(chǎn)業(yè) 化潛力的納米粉體制備方法z采用噴霧熱解技術(shù)制備了納米氧化鋅粉體，并 對反應(yīng)溫度、空氣壓力、溶液濃度和流量等操作參數(shù)對粒子形貌和組成的影響進 行了研究在優(yōu)化的工

26、藝條件下制得2030 nm粒度均勻高純六方品系zno粉體. 研究發(fā)現(xiàn):產(chǎn)物粒子分解程度隨反應(yīng)溫度的升高，溶液濃度和流量的降低而增人， 隨壓力的提高先增大后略有減小，粒子形貌與分解程度密切相關(guān)，只有當(dāng)分解程 度高于90以上,才能獲得形貌規(guī)則，粒度均勻的產(chǎn)物粒子其實驗得出的優(yōu)化t 藝條件為：溫度650750°c,濃度0. 20-0. 50 mol/l,流量05.0 ml/min,壓力0. 450. 55 mpa.1.3 zno應(yīng)用氧化鋅在不同產(chǎn)品中有不同的作用：氧化鋅是合成橡膠的硫化促進劑和良好的補強劑22】,而且有著色作用.具有良 好的顏料性能。氧化鋅與磷酸反應(yīng)，制得磷酸鋅1刼,可用于

27、金屬表面的防腐、防銹。氧化鋅作為石油產(chǎn)品添加劑創(chuàng)】，是潤滑油屮必不可少的復(fù)合添加劑，約占各 類添加劑消耗量的10-15%,有著抗氧、抗腐、抗磨多效添加劑的作用。玻璃中加入氧化鋅可增加透明度、光亮度和抗張力變形，可減少熱膨脹 系數(shù)，在光學(xué)玻璃、電氣玻璃及低熔點玻璃中得到了新的作用。在電子工業(yè)中，氧化鋅既是壓敏電阻的主原料2®,也是磁性、光學(xué)等材料的 主要添加劑。采用納米氧化鋅制備壓敏電阻，不僅具有較低的燒結(jié)溫度，而且壓 嫩電阻性能得到提高，如通流能力、非線性系數(shù)等。納米氧化鋅在光學(xué)器件中的 應(yīng)用將隨著納米氧化鋅光學(xué)性能的深入研究會取得比較人的突破。在陶瓷業(yè)中，氧化鋅被廣泛用于磚瓦釉及粗

28、陶的半透明釉和工藝餐具的透明 粗釉后熟釉27】。在塑料工業(yè)小，氧化鋅用作紫外線穩(wěn)定劑i絢，能使聚乙烯的耐大氣性得到改 善，樹脂酸與氧化鋅反應(yīng)制得的鋅樹脂可用來生產(chǎn)快干油量。氧化鋅是橡膠和輪胎工業(yè)必不可少的添加劑"i,也用作天然橡膠、合成橡膠 及膠乳的硫化活性劑和補強劑以及著色劑。如果將普通氧化鋅制成納米氧化鋅用 于橡膠屮，則可以充分發(fā)揮硫化促進作用，提高橡膠的性能，其用量僅為普通氧 化鋅的30%50%0在化學(xué)工業(yè)中，氧化鋅被廣泛用作催化劑、脫硫劑卩叫如合成甲醇時作催化 劑，合成氨吋作脫硫劑；納米氧化鋅的表面高活性可以提高催化劑的選擇性能和 催化效率，具有廣泛的潛在應(yīng)用市場。在涂料工業(yè)

29、中，氧化鋅除了具有著色力和遮蓋力外，又是涂料中的防腐劑和 發(fā)光劑13*此外，納米氧化鋅優(yōu)異的紫外線屏蔽能力使其在涂料的抗老化等方而 具有更加突出的特性。在醫(yī)藥衛(wèi)生和食品工業(yè)中，氧化鋅具有拔毒、止血、生肌收斂的功能-醫(yī) 生常以氧化鋅作為丁香油氧化鋅粘固粉的簡稱，丁香油氧化鋅粘固粉乂稱暫時 粘固粉、丁氧膏。作深洞雙層墊底的底層不承力材料，或不承力的單層墊底材料, 作12周的窩洞臨時封閉材料，也用作根管充填材料，加入賦形劑作為牙周塞 治劑；用于治療急性瘙癢性皮膚病的爐甘石洗劑中通常也含氧化鋅，其利用的是 氧化鋅的收斂、保護作用，以及一小部分的防腐作用；氧化鋅常被用于生產(chǎn)嬰 兒爽身粉等產(chǎn)品，是一種無毒

30、的無機物，人體不會對其產(chǎn)生排異反應(yīng)，因而安全 性高。此外，氧化鋅納米粒子的體積小，具有不妨礙細胞活動的優(yōu)點；納米氧化 鋅也用于橡皮膏原料，而且對于促進兒童智力發(fā)育具有幫助；納米氧化鋅用于食 品衛(wèi)生行業(yè)的需求在逐步擴人，但是產(chǎn)品要求也比較嚴格，尤其是有害的重金屬 元素含量。在玻璃工業(yè)燉i屮，氧化鋅用在特種玻璃制品屮；在陶瓷工業(yè)i中，氧化鋅 用作助熔劑；在印染工業(yè)刑中，氧化鋅用作防染劑；納米氧化鋅由于顆粒細、活 性高，可以降低玻璃和陶瓷的燒結(jié)溫度，此外利用納米氧化鋅制備的陶瓷釉面更 加光潔，而且具有抗菌、防酶、除臭等功效。目前納米氧化鋅的制備技術(shù)已經(jīng)収得了一些突破，在國內(nèi)形成了幾家產(chǎn)業(yè)化 生產(chǎn)廠家

31、。但是納米氧化鋅的表面改性技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)尚未完全成熟，其應(yīng)用領(lǐng) 域的開拓受到了較大的限制，并制約了該產(chǎn)業(yè)的形成與發(fā)展。雖然我們近年來在 納米氧化鋅的應(yīng)用方面取得了很人的進展，但與發(fā)達國家的應(yīng)用水平以及納米氧 化鋅的潛在應(yīng)用前景相比，還有許多工作要做。如何克服納米氧化鋅表面處理技 術(shù)的瓶頸，加快其在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，成為諸多納米氧化鋅生產(chǎn)廠家所面臨 的亟待解決的問題。1-4本文研究內(nèi)容與意義木文主要研究的內(nèi)容有以下幾方面：1、納米級zno粉體的實驗室制備方法；2、燒制zno陶瓷片的最佳條件；3、為了推測zno去除水溶液中重金屬離了的機理，述做了粉體zno吸附 cu"與燒結(jié)后塊體zno

32、陶瓷對cu"的吸收情況對比的實驗，廿的在于弄 清楚zno對c0的吸附作用，除了納米粉體的多孔性所產(chǎn)生的吸附作用, 是否還存在其他的吸附作用。隨著工業(yè)的高速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)排出的廢水，特別是重金屬廢水對周圍環(huán)境 的汚染口益嚴重覓金屬廢水主要含有餡鎳銅鋅汞鐳鎘饑及錫等有毒重金屬離了， 它的來源很廣，如金屬礦山電解電鍍醫(yī)藥制革工業(yè)等等不加處理或處理耒達標的 重金屬廢水大量排放，將會對人類自身的健康和生態(tài)環(huán)境造成極人危害因此，如 何科學(xué)有效地處理重金屬廢水已經(jīng)成為國內(nèi)外科研工作者研究的熱點之一。日前 對重金加廢水的處理方法主耍有：化學(xué)沉淀法，氧化還原法，吸附法，電解法， 電滲析法，濃縮法，生物

33、法等。忖前，納米材料因其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)而被廣為重視。納米zno因具有 優(yōu)異的電、磁、光、力學(xué)和化學(xué)等宏觀特性，在精細陶瓷、紫外線屏蔽、壓電材 料、光電材料、高效催化材料、磁性材料等方面有廣泛的應(yīng)用，頗受科研人員青 睞，現(xiàn)成為納米無機粉體中研究的熱點。出于其顆粒尺寸的細微化，比表面積急 劇增加，表面分子排布、電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)都發(fā)生變化，具有表面效應(yīng)、小尺 寸效應(yīng)、量了尺寸效應(yīng)和宏觀量了隧道效應(yīng)等，從而使納米材料具有一系列優(yōu)異 的表面和界面，使得納米粉體在保持原有化學(xué)性質(zhì)的同時，還在活性吸附等方面 表現(xiàn)出奇界的性能，納米吸附材料和對于礦物吸附材料以及工農(nóng)業(yè)廢棄物成木較 高，但納米材料的可再生

34、性能又是其不可忽略的一個優(yōu)點。第2章zno粉體的制備及其對cu"的吸附本章首先采用直接沉淀法和鍛燒法制備出zno粉體，并對產(chǎn)品進行x射線 衍射測試實驗，得到產(chǎn)品的xrd圖像以驗證產(chǎn)品的可靠性。z后做了 zno粉體 對cf+去除性能的測試實驗，根據(jù)實驗結(jié)果推測出zno粉體吸附cu?+的機理。2.1 zno粉體制備直接沉淀法是制備超細微粒廣泛采用的一種方法，其原理是在金展鹽 溶液中加入沉淀劑，在一定條件下生成沉淀析出，沉淀經(jīng)洗滌、熱分解等 處理工藝后得到超細產(chǎn)物。不同的沉淀劑可以得到不同的沉淀產(chǎn)物，常見 的沉淀劑為：nh3*h2o> naoh、(nhj2co3、na2co3 (nh

35、4)2c2o4 直 接沉淀法操作簡單易行，對設(shè)備技術(shù)要求不高，不易引入雜質(zhì)，產(chǎn)品純度 很高，有良好的化學(xué)計量性，成本較低。缺點是洗滌原溶液中的陰離子較 難，得到的粒子粒經(jīng)分布校寬，分散性較差。2.1.2方案設(shè)計采用直接沉淀法合成zno粉體的合成示意圖如下圖2-1所示。具體實驗步 驟：(1) 首先稱取0.4390g二水乙酸鋅放入500ml燒杯，加入200ml蒸憎水， 再稱取0.1600g氫氧化鈉加入到燒杯中。(2) 不斷攪拌溶液并將燒杯至于超聲清洗儀中進行超聲分散。(3) 將所得溶液轉(zhuǎn)存到反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜放入爐中，設(shè)置溫度為160°c, 時間6h0(4) 6小時過后取出反應(yīng)釜,取出產(chǎn)

36、物,經(jīng)冷卻后用無水乙醇進行洗滌,后 于離心機屮分離，分離產(chǎn)物放入干燥箱屮以120°c溫度干燥后獲得zn(oh)2o(5) 將獲得的zn(oh)2置于j甘圳屮，一起放到馬弗爐屮設(shè)置溫度為600°c, 時間5ho(6) -段時間后，取出樣品。2.1.3實驗流程圖圖2 - 1水熱法制備zno粉體2.1.4實驗原料木實驗所用的藥品均為分析純?；緦嶒炈幤酚卸宜徜\、氫氧化鈉、無水乙醇。d/max2.1.5實驗儀器實驗主要儀器設(shè)備有超聲清洗劑、電子天平、扌日描電子顯微鏡、2200vpc型x射線衍射儀、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱。2.2 zno粉體表征取少量的實驗合成的zno粉體制樣后，進行

37、sem、tem、xrd的表征。zn(oh)2粉體600度鍛燒后的zno粉體形態(tài)，如圖2-2：圖2-2 6(x)°czno粉體sem圖像nonesei 5.0kvx20.0001/m wd 8.8mm如圖2-2和圖2-3,它們分別表示了溶劑熱法獲得zno粉體600°c下鍛燒得 到產(chǎn)物的tem照片和xrd照片，從tem屮可看出產(chǎn)物為多孔的結(jié)構(gòu)。如下圖2-3所示為通過溶劑熱法獲得zno粉體的xrd照片，經(jīng)與zno標 準卡相比較，可以看tb 600°c鍛燒后得到的為znoo圖2-3實驗獲得zno粉體的xrd照片2.3 zno粉體吸附性能本節(jié)為了研究zno粉休吸附cu&qu

38、ot;的機理，做了如 下實驗：配制100ml c0質(zhì)量濃度為200mg/l的cu(no3)2水溶液，將其轉(zhuǎn)入可封閉 的試劑瓶屮，向該cu(no3)2溶液中加入20gzno粉體后擰緊試劑瓶瓶蓋，每隔6h 上下翻轉(zhuǎn)、搖晃試劑瓶30s,以保證zno粉體能與溶液'pcu2+充分接觸，48h后 過濾出zno粉體并烘干。下圖為zno粉體吸附c0前后的顏色對照實物圖，從25【圖可以看出，吸 附前zno粉體為白色；而在吸附水溶液中一定屋的cu"后則變?yōu)樗{色(如圖2-5 ii圖所示)。從吸附前后，zno粉體顏色的巨大反差，我們可以初步推斷zno粉 體能有效去除水溶液屮的c0離子。圖2-5吸附c

39、u"前后的zno粉體(i吸附前 ii-吸附后)為了進一步研究zno粉體對水溶液中a?+的去除性能，我們進行了等溫吸 附實驗研究，實驗結(jié)杲如圖26所示。從圖中看出，在低濃度(<150 mg/l)時，平 衡吸附量(樂，平衡吸附量 "c 川/,其中樂表示平衡吸附量，co和g分 m別表示初始和吸附平衡時溶液中cm*的濃度，m為吸附劑的質(zhì)量)隨初始濃度增 加而快速增加。而在高濃度時(>200 mg/l),隨著濃度的增加，平衡吸附量平緩 增加接近平衡狀態(tài)。為了更好研究吸附的變化趨勢，我們研究了兩種吸附模型， 即langmuir等溫吸附模型陶和freundlich等溫吸附模型

40、旳。freundlich等溫吸附模型表達式為：么=sc； a園式兩邊取對數(shù)得：log qe = i°g你+兀log cekf為吸附常數(shù)。langmuir等溫吸附模型表達式為：qm 1+bce1 11b式整理可得=+ 一么bqqqtn()為表面覆蓋率，qm (飽和吸附量)和b均為常數(shù)。將等溫吸附曲線進行適當(dāng)處理，即分別將濃度及相應(yīng)吸附量取對數(shù)作圖，如 圖27所示lg(qe)g(ce)的關(guān)系圖，線性關(guān)系較為明確，故可判斷zno粉體對 cu2+的吸附方式為f多層吸附。0.11n0.10-0.09-0.08-3 0.07-0.06-0.05-0.040*002040*60*8 t0 12叫圖

41、2-7 +吸附l/qc-l/cc曲線此可推測出zno粉體吸附c0的機理如下圖2-8所示，圖中表示了 zno粉 體吸附二價銅離子的過程。由于zn與o的電負性斧異，使得zno中的o略顯 負電，從而0可與水中的氫結(jié)合形成oh鍵。而溶液中的cu"以水合銅離了的 形式(cu(h2o)62+)存在，該水合銅離子與溶液中zno (zn-o-h)結(jié)合發(fā)生脫氫 反應(yīng)，最終形成配合物(zno(cuo)ncuoh)。ohohcu cu cu 杏咨咨1 1 11 1 /| 1 11 / /+ cu(h2o)62+ 早半早0 0 0zn zn znzn zn zn圖2-9 zno吸附c0機理示意圖2.4本章小

42、結(jié)木次試驗首先采用水熱法制備出了納米zno粉末，并通過tem、xrd檢測, 驗證了所得產(chǎn)胡為znoo之后做了 zno粉體對cu"去除性能的測試實驗，從6 2+的吸附1/qe-l/ce rfh線可以推測出zno粉體對c+的吸附方式為freundlich多層 吸附。第3章zno多孔陶瓷制備及其吸附特性本章采用粉末冶金原理技術(shù)3】制岀zno陶瓷片，并分別測試岀其sem、xrd 圖像。z后比較三種陶瓷片對cu"的吸附效果，根據(jù)測試結(jié)果推測出zno陶瓷 片吸附c0的機理為分子間的相互擴散，對比zno粉體與陶瓷對cu2+的吸附效 果，并推測吸附性能差異的原因。3.1 zno粉體成形氧化

43、鋅粉體較其他金屬粉體的成形更難，通過查閱文獻，采用了 pva作為 成形劑。圖31就是本次zno粉體壓制成形的示意圖，具體的成形步驟如下：1、從制備好的zno粉體屮稱取30 g,放入研缽屮；2、稱取1.5gpva加入zno粉體中；3、邊攪拌邊紅外加熱30 min；4、稱取0.5g加有粘結(jié)劑的zno粉體，放入壓片模具中；5、將模具放入壓片機中，加壓8 mpa,保壓10 s；6、取出模具，脫模；7、按照上述步驟，壓制出60個胚體。本次實驗共制備出60個氧化鋅壓胚以供后期試驗使用。需要注意的是向模 具中加入zno粉體的時候必須使粉體均勻的堆積在內(nèi)部，可以通過輕微晃動模 具使粉體上表面達到平整的狀態(tài)。&

44、gt; 2圖3-1 壓制示意圖1陰模;2上模沖3個模沖：4粉末3.2 zno粉體燒結(jié)此次燒制zno陶瓷的爐子為箱式電阻箱，型號規(guī)格如表31所示:表31箱式電阻爐規(guī)格型號sx2-25-10電壓220伏功率2.5千瓦相數(shù)1出廠口期11年3月最高溫度1400 °c常用溫度950 °c爐膛尺寸200x120x90 毫米首先將圧制成型的氧化鋅胚體分成三組，一組5個；將第一組入馬弗爐中，設(shè)置溫度600 °c，時間2h；第二組放入馬弗爐中，設(shè)置溫度1200 °c，時間2h；第三組放入馬弗爐中，設(shè)置溫度1400 °c,時間2h；取出燒結(jié)體冷卻至室溫，分別稱出每

45、組陶瓷片的總質(zhì)量，并計算出各組的平均質(zhì)量分別為 0.4997g, 0.4535g, 0.4280g.通過觀察比較發(fā)現(xiàn)，隨燒結(jié)溫度的升高，燒結(jié)體的體積逐漸減小，質(zhì)量減輕。3.3 zno燒結(jié)體形態(tài)與結(jié)構(gòu)下圖是zno粉休分別在600°c、1200°c、1400°c條件下燒制2 h后的燒結(jié)體在掃描電子顯微鏡下所成的sem圖像。圖3-2600°c燒結(jié)體的sem圖片圖3-31200°c燒結(jié)體的sem圖片圖3 - 41400°c燒結(jié)體的sem圖片觀察上述三圖可以發(fā)現(xiàn)隨燒結(jié)溫度的升高，zno燒結(jié)體中空隙率逐漸減少, 致密度逐漸增大，結(jié)構(gòu)也更加規(guī)整。3

46、.4 zno燒結(jié)體對c0的吸附特性下圖分別為1400 °c > 600 °c . 1200 °c氧化鋅燒結(jié)體對15ml濃度為 200g/lcu(n03)2溶液屮cu2+吸附72小時后的實物顏色對照圖片。圖3-6 zno陶瓷片吸附+后的對照圖采用原子吸收分光光度法及納米技術(shù)對吸附c0后的zno陶瓷片進行檢測, 并繪制出去除性能曲線如圖37所示，觀察圖像可以發(fā)現(xiàn)隨溫度升高，陶瓷片屮 ci?+含量逐漸減少。3080-70-50-600800100012001400溫度圖3-7 zno去除cu"性能曲線3.5 zno燒結(jié)體吸附c+的機理由上述測試結(jié)果可知，

47、隨氧化鋅燒結(jié)溫度的升高，氧化鋅對ci?+的吸附性能 逐漸減弱（見圖3-7）,而xrd圖線顯示，試驗中三種溫度下的zno燒結(jié)體的 致密度是隨溫度升高而更加致密，但是高致密度的zno陶瓷片仍然具有較高的 吸附性能。曲此得出，燒結(jié)體對c0的吸附機理除了 zno較大的比表面積外， 還存在粒子間的相互擴散。取出吸附過ci?*的zno燒結(jié)體觀察其斷面后發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)體的外層顏色較深, 內(nèi)層顏色較淺，同樣證明燒結(jié)體對ci?+的吸附是由分子間的相互擴散導(dǎo)致的。同 時，吸附了 c0的燒結(jié)體均發(fā)生了顏色上的變化，而該顏色既不同于cu(no3)2 溶液也不和zno粉體相同，所以并不能排除zno燒結(jié)體與c/+之間發(fā)生了分

48、子 或原子間的化學(xué)結(jié)合的可能，有關(guān)這一點的推測，由于實驗時間緊張而未能深入 研究。3.6本章小結(jié)這部分實驗是把氧化鋅胚體在三種不同溫度下進行燒結(jié)，并在掃描電子顯微 鏡下觀察發(fā)現(xiàn)隨溫度的升高，這三種燒結(jié)體的致密度逐漸增加，結(jié)構(gòu)逐漸變的更 加規(guī)整。本章實驗的重點是測試三種溫度下的燒結(jié)體對c0的吸附情況，并以此 來推斷氧化鋅燒結(jié)體吸附c/+的機理，由圖3-7 cu2+的去除率曲線可知，隨燒結(jié) 溫度的升高，燒結(jié)體去除cj+的能力逐漸降低，由此推測出，zno燒結(jié)體對ci?+ 的吸附機理是分子間的相互擴散。第4章全文總結(jié)與展望本論文研究的主要內(nèi)容包括以下兒方而：1、通過水熱法制備岀納米級zno粉體；2、分

49、別在1200°c和1400°c下zno粉體燒制成陶瓷片，比較z后確定制備 zno陶瓷的最佳條件是溫度1400攝氏度,時間2小時：3、分別做了zno粉體及陶瓷片對溶液中c0的去除能力的測試試驗，并根 據(jù)測試實驗推測出zno粉體去除c0的方法是freundlich多層吸附；zno 陶瓷去除ci嚴的方法是分了間擴散。另外，吸附過cu"的zno陶瓷片是否發(fā)生了物理或化學(xué)上的轉(zhuǎn)變，比如陶瓷 片的光敏性能、氣敏性能、壓電性能、壓敏性能、分子組成等是否有所變化，這 些也很有研究的價值，然而由于實驗時間緊張，而未能付諸行動。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超細活性氧化鋅的需求正以超常速度發(fā)展

50、，應(yīng)用前景 越來越廣泛。在環(huán)境保護方面，納米zno依靠其高效的光敏特性，可以有效地降解各種廢 水中的無機或有機污染物。光催化氧化技術(shù)還能用來處理水中的無機污染物和空 氣屮的n o、so2等有害氣體。研究表明，納米zno不僅可有效處理含so32cr2o72 cn no?等無機陰離子,還能解決含6(11)、cr(iil iv)、pb仃i)等重金屬離 子的污染問題。從納米zno的奇妙用途小可以窺視出其廣闊的市場和誘人的應(yīng)用前景，且我 國zn資源十分豐富，相信納米zno材料的應(yīng)用會更加廣泛。參考文獻1賈春峰文化力m 京：人民岀版社出版，2000賈春峰.我國企業(yè)文化的走勢n中國改革報，20000920姜

51、巖論跨國經(jīng)營中的跨文化管理及其強化一一兼論對中國企業(yè)跨國經(jīng)營的啟示和借鑒j貴陽:貴州財經(jīng)學(xué)院學(xué)報,1998, (6)： 454祖庸，雷閻盈，王訓(xùn).納米氧化鎊的奇妙用途j.化工新型材料,1997, 27(3)：14 165張立德,牟季美納米材料學(xué)m 沈陽:遼寧科技出版設(shè),19946俞建群，賈殿增，鄭毓峰.納米氧化銀、氧化鋅的合成新方法j 無機化學(xué)學(xué)報,1999, 15(1)： 957張振逵超微氧化鋅的性質(zhì)與用途j元機鹽工業(yè),1996, (5)： 3335 段潑，趙興中，李興國等超微粉制備技術(shù)的現(xiàn)狀與展望j 材料導(dǎo)報，1995,(11) ： 34 9杜仕國超微粉制備技術(shù)及其進展j 功能材料,199

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