纳米吸附材料的制备及其在染料废水处理中的应用

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1、第1章绪论第1章绪论1.1概述纳米技术是近年来崛起的一门崭新技术，它是在现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的，是一门基础研究与应用探索紧密联系的新型科学技术。纳米技术被公认为是21世纪最具有前途的科研领域，现在已经成为当今世界活跃的研究热点之一。所谓纳米技术是指在纳米尺度(0.1nm-100nm)上，研究物质(包括原子和分子)的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科相互渗透的高新技术。它使人类的认识和改造物质世界的手段和能力延伸到原子和分子水平，其最终目标是以物质在纳米尺度上表现出来的特性制造具有特定功能的产品即纳米材料，并

2、使之微型化，实现其生产方式的跨越式发展，这将对人类产生深远的影响，改变人们的思维和生活方式。纳米材料是80年代中期发展起来的一种具有全新结构的材料，由于它具有与传统的材料极不相同的性能，因此对纳米材料的认识应该不断加深和丰富，并且对它的研究也逐渐集中在具有一定功能的纳米结构材料方面。1.2纳米材料的概况所谓纳米，是一种度量单位，即米的十亿分之一。纳米介于宏观世界和微观世界之间，也被称为介观世界。纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米级的超细微粒，它的尺寸大于原子簇，小于普通的微粒。一般所谓的纳米材料可以将其广义地理解为在三维空间中至少有一维处于纳

3、米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。1984年，Gleiter等人首次将纳米粉末压制成纳米固体块状材料，从此纳米材料的制备、性质、结构成为国际研究热点，形成了纳米材料学。1武汉工业学院硕士学位论文由于纳米粒子的晶粒小、比表面积大，其表面能和表面张力随着粒径的减小而急剧增大，也就是到纳米尺度时，形态的变化反馈到物质结构和性能上，就会显示出最基本的奇异的四大效应。即小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。它在电子、光学、化工、陶瓷、生物和医药等诸多方面的应用而引起人们的高度重视。1.3纳米材料的特性1.3.1小尺寸效应

4、当纳米微粒尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长以及超导态的相干长度或穿透深度等物理特征尺寸相当时，晶体周期性的边界条件将被破坏，声、光、力、热、电、磁、内压、化学活性等与普通粒子相比均有很大变化，这就是纳米粒子的小尺寸效应(也称体积效应)。如纳米微粒的熔点可以远低于块状金属；强磁性纳米颗粒(Fe-Co合金等)为单畴临界尺寸时，具有较高的矫顽力等。1.3.2表面效应纳米微粒由于尺寸小、表面积大、表面能高，位于表面的原子占相当大的比例，这些表面原子处于严重的缺位状态。因此，其活性极高，极不稳定，遇见其它原子时很快结合，使其稳定化，这种

5、活性就是表面效应。纳米材料的表面效应不但引起表现原子的输运和构型变化，而且可引起自旋构像和电子能谱的变化。1.3.3量子尺寸效应当粒子尺寸下降到某一值时，费米能级附近的电子能级会由准连续态变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。纳米微粒的声、光、电、磁、热以及超导性与宏观特性有着显著的不同。对于多数金属纳米微粒，其吸收光谱恰好处于可见光波段，从而成为光吸收黑体；对于半导体纳米材料，可观察到光谱线随微粒尺寸减小而产生光谱线蓝移现象，同时具有光学非线性效

6、应。2武汉工业学院硕士学位论文1.3.4宏观量子隧道效应隧道效应是指微观粒子具有贯穿势垒的能力。后来人们发现一些宏观量，如磁化强度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应，称之为宏观量子隧道效应。宏观量子隧道效应和量子尺寸效应共同确定了微电子器件进一步微型化的极限和采用磁带磁盘进行信息储存的最短时间。[1]1.3.5介电限域效应介电限域是纳米微粒分散在异质介质中由于界面引起的体系介电增强的现象，这种介电增强通常称为介电限局，主要来源于微粒表面和内部局域强的增强。当介质的比微粒的折射率相差很大时，产生了折射率边界，这就导致微粒表面和内部

7、的场强比入射场强明显增加，这种局域强的增加称为介电限域。一般来说，过渡族金属氧化物和半导体微粒都可能产生介电限域效应。纳米微粒的介电限域对光吸收、光化学、光学非线性等会有重要的影响。1.3.6其它特性从化学的角度来说，纳米微粒又具有吸附、分散、团聚和流变学特性。纳米微粒由于有大的比表面积和表面原子配位不足，具有较强的吸附性；纳米微粒较高的比表面积会引起粒子间的团聚，为了防止团聚现象的发生，可以加入反絮凝剂、表面活性剂对微粒进行表面修饰。同时，也可以利用纳米微粒的吸附性能吸附去除环境废水中难以去除的有机染料。由于纳米具有上述特殊效应，使

8、它在光学、催化、化学活性等方面具有不同于普通材料的优良性能，因而具有广阔的应用前景。1.4国内外研究现状及趋势纳米材料的研究从上世纪70年代纳米颗粒材料问世，到80年代中期在实验室合成了纳米块体材料，已经成为材料科学和凝