酸碱度及金属离子浓度对纳米二氧化钛的物性影响

酸碱度及金属离子浓度对纳米二氧化钛的物性影响周静怡（同组：陈建平）1(1.北京建筑大学环131201303040110，北京市大兴区黄村镇永源路15号102616）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:Withtherapiddevelopmentofnanotechnology,Nanomaterialsarewidelyusedinourdailylife.Thedecorationmaterialsinnanometertitaniumdioxidecanbebactericidal,anddegradationoforganicpollutants.NanoTiO2wasfoundtotreatpollutionproblemduetoitscoagulationadsorptioneffectandshowgreateffecttoremoveheavymetalions.However,therewerefewresearchontheinteractionofhighefficiencyforpollutantsandnanometertitaniumdioxideindifferentenvironmentalconditions.TheparticlesizeandZetapotentialofTiO2nanoparticlesweremeasuredunderdifferentwaterconditionsincludingpH,concentrationofmetalionsandbindingtime.Keywords:Heavymetal;Nanotitaniumdioxide;Adsorbent;Particlesize;Zetapotential1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50mLCr2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+0.1/0.3/0.5/0.7/0.9/1/10/100ug/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ZetaSize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pH3.134.135.156.237.048.078.949.93粒径（nm）1186138.4123.8128.4127.8123.4122.1127.0Zeta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pH3.154.024.945.976.918.108.979.95粒径（nm）557.9130.4129.5132.6131.7134.7133.3134.4Zeta电位（mv）-12.8-27.0-34.2-33.7-37.5-35.6-38.6-36.10200400600800100012001400024681012粒径nmpH不同pH下的粒径-45-40-35-30-25-20-15-10-505024681012Zeta电位mvpH不同pH下的Zeta电位（3）不同pH下，Zn2+对纳米二氧化钛的物性影响pH3.274.285.026.117.128.219.069.96粒径（nm）404.2124.1130.6133.1138.1133.3130.5130.4Zeta电位（mv）-13.60.0960-32.1-33.5-34.1-32.0-37.2-34.30100200300400500600024681012粒径nmpH不同pH下的粒径-45-40-35-30-25-20-15-10-50024681012Zeta电位mvpH不同pH下的Zeta电位（4）不同pH下，Cu2+对纳米二氧化钛的物性影响pH3.163.965.135.957.127.939.0610.09粒径（nm）1041153.9122.9124.0125.5128.4127.4130.8Zeta电位（mv）-4.400.698-29.8-33.9-35.4-0.555-0.395-0.278050100150200250300350400450024681012粒径nmpH不同pH下的粒径-40-35-30-25-20-15-10-505024681012Zeta电位mvpH不同pH下的Zeta电位由以上四组数据可推断pH小于等于3时，粒径为最大，而pH4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+0min3min6min9min12min15min18min21min24min27min粒径（nm）216.6230.2253.2276.8318.5406.8410.9551.5694.8819.9Zeta电位（mv）-16.6-17.6-18.4-19.4-18.6-18.6-19.9-19.0-18.3-18.7020040060080010001200024681012粒径nmpH不同pH下的粒径-40-35-30-25-20-15-10-505024681012Zeta电位mvpH不同pH下的Zeta电位（2）溶液pH=3时Pb2+对纳米二氧化钛的物性影响Pb2+0min3min6min9min12min15min18min21min24min27min粒径（nm）228.8257.1323.9452.2618.4787.9951.7112011541388Zeta电位（mv）-16.2-18.1-18.0-16.7-16.4-16.7-17.2-15.5-15.9-16.20100200300400500600700800900051015202530粒径nm时间min不同时间下的粒径-20.5-20-19.5-19-18.5-18-17.5-17-16.5-16051015202530Zeta电位mv时间min不同时间下的Zeta电位（3）溶液pH=3时Zn2+对纳米二氧化钛的物性影响Zn2+0min3min6min9min12min15min18min21min24min27min粒径（nm）229.6248.7304.6338.3399.2562.4551.6666.2760.6847.5Zeta电位（mv）-16.1-17.8-19.6-17.6-17.4-17.1-16.5-17.2-17.0-16.202004006008001000120014001600051015202530粒径nm时间min不同时间下的粒径-18.5-18-17.5-17-16.5-16-15.5-15051015202530Zeta电位mv时间min不同时间下的Zeta电位（4）溶液pH=3时Cu2+对纳米二氧化钛的物性影响Cu2+0min3min6min9min12min15min18min21min24min27min粒径（nm）245.2318.6410.4464.2643.3730.3913.2998.011171363Zeta电位（mv）-15.4-16.4-16.7-17.5-16.4-16.1-16.6-16.7-15.2-14.70100200300400500600700800900051015202530粒径nm时间min不同时间下的粒径-25-20-15-10-50051015202530Zeta电位mv时间min不同时间下的Zeta电位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）0.10.30.50.70.9110100粒径（nm）134.0134.8139.4143.0146.5130.5132.3130.0Zeta电位（mv）-31.5-31.9-34.0-35.6-33.9-33.8-33.5-34.602004006008001000120014001600051015202530粒径nm时间min不同时间下的粒径-18-17.5-17-16.5-16-15.5-15-14.5051015202530Zeta电位mv时间min不同时间下的Zeta电位（2）溶液pH=7时Cu2+浓度对纳米二氧化钛的物性影响Cu2+（ug/ml）0.10.30.50.70.9110100粒径（nm）143.0144.2143.8146.0146.5128.2129.4127.9Zeta电位（mv）-25.1-31.5-30.9-34.2-35.2-18.9-34.9-32.9128130132134136138140142144146148-20020406080100120粒径nm浓度ug/ml不同浓度下的粒径-36-35.5-35-34.5-34-33.5-33-32.5-32-31.5-31-20020406080100120Zeta电位mv浓度ug/ml不同浓度下的Zeta电位（3）溶液pH=7时Pb2+浓度对纳米二氧化钛的物性影响Pb2+（ug/ml）0.10.30.50.70.9110100粒径（nm）143.2143.3144.2141.6142.4134.9147.0148.1Zeta电位（mv）-34.5-35.5-34.0-35.4-37.3-34.1-35.5-35.1125130135140145150-20020406080100120粒径nm浓度ug/ml不同浓度下的粒径-40-35-30-25-20-15-10-50-20020406080100120Zeta电位mv浓度ug/ml不同浓度下的Zeta电位（4）溶液pH=7时Z