论文总字数：17286字

摘 要

TiO₂和活性炭具有比表面积大、分散性能好的特点，已被广泛用作处理废水中重金属的常用吸附剂。近年来随着工艺研究的深入和实际应用过程中问题的出现，对TiO₂和活性炭进行改性已逐渐成为研究的热点。本文以钛酸四丁酯为钛源制备纳米TiO₂，并将活性炭作为载体负载TiO₂制备TiO₂/AC，发现当TiO₂：AC为1:3时，制备的TiO₂/AC对Cr(Ⅵ)的吸附效果最好。对TiO₂/AC进行XRD等分析手段进行表征，发现负载到活性炭的TiO₂晶型不变。本文还研究了TiO₂/AC投加量、吸附温度、溶液搅拌时间、pH等条件对废水中铬的吸附性能的影响，实验用铬浓度为0.8mg/L的实验水模拟含有铬的废水，发现当TiO₂/AC投加量为2g、溶液pH为4、吸附温度为20 ℃、搅拌120min时可以达到最佳吸附效果。

关键词：纳米TiO₂ 活性炭负载 吸附

Study on the adsorption of heavy metal ions in wastewater by TiO₂

Abstract

Nano-titanium dioxide and activated carbon have large specific surface area and good dispersibility, and they have been used as adsorbents in wastewater treatment. In recent years, with the deepening of engineering research and the emergence of practical application problems, the modification of titanium dioxide and activated carbon has gradually become a research hotspot. In this paper, tetrabutyl titanate was used as titanium source to prepare nano-titanium dioxide, and active carbon was used as carrier to support Nano-titanium dioxide to prepare TiO₂/AC. It was found that when TiO₂:AC was 1:3,the prepared TiO₂/AC had the best adsorption effect on Cr(Ⅵ). TiO₂ / AC was characterized by X-ray diffraction (XRD) and other analytical methods. The results showed that the crystal form of titanium dioxide was unchanged after loading. In this paper, the effects of TiO₂/AC dosage, adsorption temperature, solution stirring time, pH and other conditions on the removal of chromium from wastewater were also studied. In the experiment, laboratory water with chromium concentration of 0.8mg/l was used to simulate the production wastewater containing trace chromium. It was found that the optimal adsorption effect could be achieved when TiO₂/AC dosage was 2.0g, solution pH was 4, adsorption temperature was 20 ℃, stirring for 120min.

Key words: Nano-titanium dioxide;activated carbon;adsorption

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 前言 1

1.1 含铬废水的性质及危害 1

1.1.1 铬的主要性质 1

1.1.2含铬废水的主要危害 1

1.2 含铬废水处理方法及研究进展 1

1.3 纳米TiO₂研究进展 2

1.3.1 纳米TiO₂的结构与性质 2

1.3.2 纳米TiO₂的制备方法 2

1.3.3 纳米TiO₂对废水处理的研究进展 2

1.3.4 纳米TiO₂改性 2

1.4 活性炭研究进展 2

1.4.1 活性炭的结构和性能 2

1.4.2 改性活性炭的研究现状 3

1.4.3 活性炭吸附的原理及类型 3

1.5 本课题研究的意义和内容 4

第二章 实验方法 5

2.1 实验试剂与仪器 5

2.2 铬的检测方法 5

2.3 实验设计 6

2.3.1 实验溶液配制 6

2.3.2 选择载体类型 6

2.3.3 制备纳米TiO₂ 6

2.3.4 确定TiO₂最佳负载量 7

2.3.5 制备活性炭负载纳米TiO₂ 7

2.3.6 吸附条件对吸附性能的影响 7

2.3.7 表征实验 8

第三章 结果与讨论 9

3.1 制备成果展示 9

3.2 铅离子标准曲线的绘制 9

3.3 TiO₂:AC对除铬率影响 10

3.4 TiO₂/AC表征 11

3.4.1 X射线衍射分析（XRD分析） 11

3.4.2 扫描电镜分析（SEM分析） 12

3.4.3 傅里叶红外光谱分析（FTIR分析） 13

3.5 吸附条件对TiO₂/AC吸附性能的影响 13

3.5.1 吸附剂投加量对除铬的影响 13

3.5.2 pH对吸附剂除铬的影响 14

3.5.3 温度对吸附剂除铬的影响 15

3.5.4 搅拌时间对除铬效果的影响 16

第四章 结论与展望 17

4.1 结论 17

4.2 展望 17

参考文献 18

致 谢 20

第一章 前言

改革开发以来，中国经济飞速发展，制造业规模不断扩大，由于环保意识的欠缺和污染处理技术的不足，环境污染日益严重，尤其是在工业生产中产生的重金属废水(含有铬、镉、铜、汞、镍、锌等重金属离子)严重影响了湖泊河流的水质，成为污染水体最严重和对人类危害最大的工业废水之一。

1.1 含铬废水的性质及危害

1.1.1 铬的主要性质

铬（Cr）作为一种人体必须的微量元素，进入血液后能够与血浆中的蛋白相结合，参与机体正常的糖代谢。铬常见有三种价态，2价和3价铬易与蛋白结合，对人体毒性小，六价铬易穿过生物膜进入人体而引起中毒反应。人体缺少铬会导致生长停滞、糖尿等病症，铬在人体被代谢和清除的速度十分缓慢，代谢物主要通过肾排出，因此铬的过量摄入会造成中毒。

1.1.2含铬废水的主要危害

铬经呼吸道进入人体，可导致鼻炎、喉炎和支气管炎，长期接触可导致肺癌。若将含铬废水流入江河湖泊，铬在水中难以被降解，只能被水生生物吸收，铬便在动物骨骼中积聚，达到一定浓度使生物致死，若用铬污染水源灌溉农田，不但会造成农田减产，铬还会积聚在植物体内，最终危害人类健康。

1.2 含铬废水处理方法及研究进展

经过水处理专家不断地研究，目前对六价铬处理有两条基本线：一是将六价铬还原成低毒的三价铬，然后用化学沉淀去除，其基本方法包括化学还原法^[1]、电解还原凝聚法等；二是资源回收路线，如离子交换^[2-3]、活性炭吸附、反渗透等都有许多研究报道。

吸附法由于经济、操作简单、效果好等优点，是废水处理工程中常用的方法。胡志彪等人^[4]研究发现，随着竹炭孔径的增大，其对Cr(Ⅵ)离子的吸附效果反而变弱，当溶液为酸性时，竹炭对Cr(Ⅵ)离子的吸附效果更佳。高飞飞^[5]以活性炭纤维作为吸附剂，对水中镉离子、镍离子以及铜离子吸附效果进行综合分析，构建出活性炭纤维对重金属离子吸附的线性关系，并探究出其吸附规律。

1.3 纳米TiO₂研究进展

1.3.1 纳米TiO₂的结构与性质

TiO₂有金红石型（Rutile）、锐钛矿型（Anatase）和板钛型 （Brookite）三种晶型结构。锐钛矿型由TiO₆八面体共边组成，属不稳定的斜方晶系，工业利用价值极低。金红石和板钛矿型由TiO₆八面体共顶点且共边组成^[6-7]，金红石型TiO₂晶格小且分子之间紧密结合，具有优于锐钛矿型的热稳定性和化学稳定性，在涂料、化妆品等领域应用广泛；锐钛矿型光催化活性较好^[8]，因而被广泛用于光电转化和消毒杀菌等领域^[9-11]，在环境治理领域有着诱人的应用前景。

1.3.2 纳米TiO₂的制备方法

TiO₂有气相和液相两种制备方法。气相法耗能大、成本高、其研究常受影响，故不常使用；液相法包括水解法、沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法等技术，经济、操作简单方面，是实验室和工业上常用的制备方法^[12]。

1.3.3 纳米TiO₂对废水处理的研究进展

纳米TiO₂具有较大的比表面积和表面活性，将TiO₂作为吸附剂对废水进行吸附处理一直备受学者关注。有研究工作者根据溶液酸碱度不同，用纳米TiO₂作为吸附剂成功分离出水样中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)^[13]。喻德忠等^[14]研究得出在pH为4.0的条件下，TiO₂对Cr(Ⅵ)的吸附率最大，故将其应用于重金属污染废水处理。肖亚兵^[15]将纳米TiO₂作为吸附剂研究对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附性能。施踏青等^[16]由纳米TiO₂对Pb的吸附性得出最佳吸附和解吸条件。

1.3.4 纳米TiO₂改性

随着TiO₂在环境治理方面应用前景的不断扩大，研究工作者已将工作重点转移到对TiO₂进行修饰以提高吸附效果，目前主要有离子掺杂^[17-18]、贵金属沉积^[29]、半导体复合^[20]、半导体表面敏化^[21]和TiO₂的负载^[22]等修饰方向。为解决TiO₂在废水处理中不易分离、难回收的问题，常对TiO₂进行负载，使之与载体结合在一起进行吸附。

1.4 活性炭研究进展

1.4.1 活性炭的结构和性能

活性炭是有机质挥发去除后得到的无定型碳，由于具有较大的比表面积，常作为一种优良的吸附剂，其细孔构造、氢和氧的存在是影响吸附性能的主要因素。活性炭化学性质较稳定，目前改良活性炭材料在环境治理领域应用十分广泛。

1.4.2 改性活性炭的研究现状

近年来，随着工程应用过程中实际问题的不断涌现，普通活性炭内部灰质多、表面官能团受抑制等缺点逐渐暴露出来，对活性炭改性以提高应用指标已经成为必然的研究趋势。目前对活性炭主要有以下改性研究：

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