二氧化钛吸附研究及应用概述
《2024年纳米二氧化钛光催化及其在污水处理与分析检测中的应用研究》范文
《纳米二氧化钛光催化及其在污水处理与分析检测中的应用研究》篇一一、引言随着环境问题日益严重，污水处理成为了全球关注的焦点。
纳米二氧化钛（TiO2）作为一种重要的光催化剂，因其具有优异的物理化学性质和良好的光催化性能，在污水处理和分析检测领域得到了广泛的应用。
本文将重点探讨纳米二氧化钛光催化的原理及其在污水处理和分析检测中的应用研究。
二、纳米二氧化钛光催化的原理纳米二氧化钛光催化是一种利用光能驱动的化学反应过程。
当纳米二氧化钛受到光照时，其表面会产生光生电子和空穴对。
这些电子和空穴对具有极强的氧化还原能力，能够与吸附在催化剂表面的物质发生反应，产生一系列的氧化还原反应。
这些反应能够有效地降解有机污染物，使其转化为无害的物质，从而达到净化水质的目的。
三、纳米二氧化钛在污水处理中的应用（一）有机污染物的降解纳米二氧化钛光催化技术能够有效地降解水中的有机污染物，如染料、农药、油污等。
通过光催化反应，这些有机污染物被分解为无害的物质，如二氧化碳和水等。
此外，纳米二氧化钛还具有较高的催化活性和稳定性，能够在较宽的pH范围内发挥作用。
（二）重金属离子的去除除了有机污染物外，水中的重金属离子也是一项重要的污染源。
纳米二氧化钛光催化技术还可以通过吸附和还原作用去除水中的重金属离子，如铅、汞等。
这些重金属离子在光催化过程中被还原为无害的金属单质或沉淀物，从而达到净化水质的目的。
四、纳米二氧化钛在分析检测中的应用（一）水质检测纳米二氧化钛具有良好的光学性能和稳定性，可用于水质检测中作为光散射剂或荧光探针。
通过检测水样中纳米二氧化钛的光学性能变化，可以快速准确地检测出水中有机污染物的种类和浓度等信息。
（二）食品和药物检测除了水质检测外，纳米二氧化钛还可用于食品和药物检测中。
由于食品和药物中往往含有各种成分和添加剂，这些成分的准确测定对于保证食品安全和药物有效性具有重要意义。
纳米二氧化钛可作为一种高灵敏度的光学探针，用于检测食品和药物中的有害物质或有效成分。
绿色建筑光催化材料二氧化钛研究进展
绿色建筑光催化材料二氧化钛研究进展随着社会经济的发展和人们对环境保护意识的提高，绿色建筑已成为一种趋势。
绿色建筑是一种可持续性建筑，其设计和建造考虑了减少对环境的影响，提高建筑能源效率，提高室内环境质量等因素。
绿色建筑需要使用环保、健康的建筑材料，而光催化材料二氧化钛是一种很有潜力的材料，能够用于室内和室外环境的净化。
二氧化钛具有很高的光催化活性，在受到紫外线或可见光照射时能够吸收水中的氧和有机物质、微生物，将其分解为CO2和H2O，从而达到清洁水和空气的目的。
二氧化钛的光催化能力是由于其表面具有活性位点，通过吸附反应活化两种物质，从而产生自由基，进而分解有机污染物，因此用于绿色建筑中的光催化材料是探索和应用的热点。
二氧化钛的催化性能可以通过修饰或改性来提高。
硫化二氧化钛、掺杂二氧化钛、纳米二氧化钛和复合二氧化钛等是目前研究的热点。
硫化二氧化钛的光催化性能比纯的二氧化钛更优秀，因为硫是一种与光催化反应有关的活性物质。
掺杂二氧化钛一般通过在其晶格中引入其他金属离子，从而形成掺杂二氧化钛。
掺杂的离子会影响二氧化钛的电子结构及其表面性质，可以提高催化性能，让其可使用于室内环境净化中。
纳米二氧化钛的光催化性能也比纯的二氧化钛更优秀，因为小尺寸的纳米颗粒有更大的比表面积和更短的电子传输路径。
在光照区域内，纳米二氧化钛能较好地吸收光线，提高了催化效率。
复合二氧化钛材料是指将二氧化钛复合到另一种材料中，如氧化锌、氧化铜等，可以增强催化性能，同时还可以对催化剂的电子能级结构有所调整，改进催化剂在光催化中的性能。
此外，改进二氧化钛的制备方法也为提高其光催化性能提供了新途径。
目前常使用的方法有溶胶-凝胶法、沉淀法和水热法等。
溶胶-凝胶法是一种干燥和烧结过程多的制备方法，可控性较好，且可以制备出更细致的二氧化钛微粒，通常能够得到更高的催化性能。
水热法是指以水为溶媒将反应物反应时制备二氧化钛的方法，该方法不需要多次烧结和洗涤，工艺简单，适用于制备较小颗粒的二氧化钛，并且可制备出不同形貌的二氧化钛粒子，如球形、链形、管状等。
纳米二氧化钛 (TiO2)应用：水处理、催化剂载体、紫外线吸收等
纳米二氧化钛(TiO2)应用：水处理、催化剂载体、紫外线吸收等
二十世纪纳米技术兴起并迅速发展，由于纳米材料的独特性质使它在科学技术领域占据重要地位。
纳米二氧化钛(TiO2)具有许多的特殊性能比如表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，从而使其与普通二氧化钛相比具有许多特殊性能。
纳米二氧化钛在水处理、催化剂载体、紫外线吸收剂、光敏性催化剂、防晒护肤化妆品、涂料填料、光电子器件等领域具有广泛的用途。
纳米TiO的制备方法有气相法、液相法。
目前，研究的一个热点是纳米TiO2 作为半导体光催化剂用于废水、废气的净化。
纳米TiO2 具有湿敏、气敏功能，如它对一氧化碳极为敏感，可用在传感器上，尽管我国对纳米二氧化钛的研究起步较晚，但是科技工作者们在其制备和应用上做了大量的工作和深入的研究，并取得了许多成果。
河北麦森钛白粉有限公司生产的纳米二氧化钛(光催化)(MS-GCA01)
产品性能：
本品光催化纳米二氧化钛外观为白色疏松粉末。
在可见光或紫外光的作用下具有很强的氧化还原能力，化学性能稳定，能将甲醛，甲苯，二甲苯，氨，氡，TVOC等有害有机物，污染物，臭气，细菌，病毒，微生物等有害有机物彻底分解成无害的CO2和H2O，并具有去除污染物，亲水性，自洁性等特性，性能持久，不产生二次污染。
本品适合于各种空气污染治理的光触媒喷剂，纳米抗菌涂料，污水处理(可将造纸厂，印染厂，酒精厂和化工厂等废水中的大分子有机物进行降解，使之变成CO2，H2O)纳米抗菌自洁纤维，电子材料等产品，产品比表面大，光催化效率高，分解有害气体速度快，本品吸收紫外线能力强范围广(280nm-460nm)。
二氧化钛纳米材料的应用
5二氧化钛纳米材料的应用现有的二氧化钛纳米材料的应用领域包括涂料，牙膏，防紫外线，光催化，光电，传感，和电致变色以及光色体–这些应用领域前景良好。
二氧化钛纳米材料通常有电子带隙，电子伏特大于3.0，在紫外线区域具有高吸收性。
二氧化钛纳米材料性能非常稳定、无毒、价格便宜。
由于其良好的光学和生物学性能，可应用于紫外线保护。
如果水表面接触角大于130 °或小于5 °，可将表面分别定义为超疏水或超亲水表面。
各种玻璃制品具有防雾功能，如镜子，眼镜，具有超亲水或超疏水表面。
例如，冯等人发现可逆超亲水性和超疏水性，可来回切换二氧化钛纳米薄膜。
用紫外光照射二氧化钛纳米棒薄膜时，光生空穴和晶格氧产生反应，表面氧空缺。
动力学上，水分子与这些氧空缺相协调，球形水滴沿纳米棒填补了凹槽，并且在二氧化钛纳米棒薄膜上分散，接触角约为0°- 这会导致超亲水二氧化钛薄膜。
羟基吸附后，表面转化成大力亚稳态。
如薄膜被放置在黑暗中，被吸附羟基逐渐取代了大气中的氧气，表面回到原始状态。
表面润湿度由超亲水转换成超疏水。
由于超亲水或超疏水表面，许多不同类型的表面具有防污、自洁性能。
电气或光学性质随吸附而产生变化，二氧化钛纳米材料也可用来作为各种气体和湿度传感器。
就未来的清洁能源应用而言，最重要的研究领域之一，是寻找高效电力和/或氢气材料。
如二氧化钛和有机染料或无机窄禁带半导体敏化，二氧化钛能吸收光，形成可见光区域，并将太阳能转换成电能，应用于太阳能电池。
Gratzel领导的小组，运用染料敏化太阳能技术，实现了将所有太阳能转换成电流，转换效率物10.6％电流。
人们广泛研究了二氧化钛纳米材料用于水分解和制氢，这是因为于水氧化还原时，其具有合适的电子能带结构。
二氧化钛纳米材料另外应用- 二氧化钛纳米材料与染料或金属纳米粒子敏化时，形成光致变色。
当然，二氧化钛纳米材料的众多应用之一是光催化分解各种污染物。
5.1光催化应用二氧化钛被认为是最有效的、无害环境的光催化剂，广泛用于各种污染物的降解。
二氧化钛光催化的机理及应用概要
N型半导体的能级
价 带 P型半导体的 能级
Ea Ev
光催化 TiO2的 应用
• 1、空气净化 • 当前解决空气污染主要有物 理吸附法(活性炭)、臭氧净 化法、静电除尘法、负氧离 子净化法等，但是这些方法 自身都有着难以克服的弊端， 所以一直难以大范围地推广 使用。与其相比，利用纳米 光催化TiO2净化空气则有如 下优点：降解有机物的最终 产物是CO2和H2O，没有其 它毒副产物出现，不会造成 二次污染；纳米微粒的量子
Ti自洁 玻璃
空气 净化
总结
• TiO2光催化氧化法是一种具 有较好应用前景的技术，己 有大量研究表明众多难降解 有机物在光催化氧化作用下 可有效去除或降解，已成为 环境治理中的前沿领域及研 究热点，但目前仍处于试验 研究阶段，在实际废水处理 工程中尚未出现成熟可用的 工艺。随着TiO2光催化氧化 法的研究不断深入，制备高 效率的催化剂、选择合适的 载体实现 其固化和实用的光
The End
如果把分散在溶液中的每一颗TiO2粒子近似看 成是小型短路的光电化学电池，则光电效应应 产生的光生电子和空穴在电场的作用下分别迁 移到TiO2表面不同的位置。TiO2表面的光生电 子e-易被水中溶解氧等氧化性物质所捕获，而 空穴h+则可氧化吸附于TiO2表面的有机物或先 把吸附在TiO2表面的OH-和H2O分子氧化成 · OH 自由基，· OH自由基的氧化能力是水体中存在 的氧化剂中最强的，能氧化水中绝大部分的有 机物及无机污染物，将其矿化为无机小分子、 CO2和H2O等无害物质。
BACK
反应液中 电子受体 对催化活 性的影响
• 如果反应液中存在一些电子 受体能够及时与电子作用， 通常能够抑制电子空穴的复 合，如Elmorsi(2000)发现溶 液中含10-3M的Ag+时，其光 催化效率提高，原因在于 Ag+作为电子受体与电子反 应生成金属银，从而减少了 空穴——电子对复合的几率。
改性纳米二氧化钛对镍_吸附行为的研究和分析应用
冶金分析,2009,29(11):65268Metallurgical Analysis ,2009,29(11):65268文章编号:1000-7571(2009)11-0065-04改性纳米二氧化钛对镍(Ⅱ)吸附行为的研究和分析应用毛艳丽1,2,王远红2,罗世田3,张 奎2,闫永胜31(11江苏大学化学化工学院,江苏镇江 212013;21河南城建学院,河南平顶山 467001;31平顶山市建设工程质量监督站,河南平顶山 467001)摘 要:利用浸渍法对纳米TiO 2进行表面改性,制备出改性纳米TiO 2,并用扫描电镜(SEM )对其进行了表征。
以火焰原子吸收光谱法(FAAS )探讨了改性纳米TiO 2在静态吸附条件下对Ni (Ⅱ)的吸附性能,影响吸附和解脱的主要因素及Ni (Ⅱ)的吸附等温线,常见共存离子对Ni (Ⅱ)测定的影响,并做了再生实验。
结果表明:在p H 810,振荡5min ,静置12h 条件下,011000g 改性纳米TiO 2能定量吸附Ni (Ⅱ);10mL 4mol/L 硝酸作为解脱剂可使Ni (Ⅱ)定量解脱;改性纳米TiO 2对Ni (Ⅱ)的吸附性能良好。
该吸附剂已用于环境水样中Ni (Ⅱ)的测定。
关键词:改性纳米TiO 2;火焰原子吸收光谱法(FAAS );吸附;Ni (Ⅱ)中图分类号:O65216,O657131 文献标识码:A收稿日期:2008-10-28基金项目:国家自然科学基金(20877036),科技部基金资助项目(05C26213100474)作者简介:毛艳丽(1975-),女,博士生,主要从事环境化学及分析化学研究通讯联系人:闫永胜,男,教授,博士生导师;E 2mail :yys @ 适量的镍可以提高胰岛素的活性,降低血糖,但如果镍的量过多则会对人体造成损害,成为环境中的污染物[1]。
原子吸收光谱法测定环境样品中的痕量镍由于基体干扰严重,必须进行分离、富集等处理。
二氧化钛的催化原理
二氧化钛的催化原理
二氧化钛（TiO2）是一种常见的半导体材料，在催化领域具有重要的应用。
其催化原理主要涉及以下几个方面：
1. 光催化作用：二氧化钛具有广谱的光吸收能力，可以吸收紫外光和可见光。
当光子被吸收后，电子从价带跃迁到导带，产生带负电荷的电子和带正电荷的空穴。
这些电子和空穴参与化学反应，从而催化反应的进行。
2. 电子传递：被激发的电子和空穴可以在二氧化钛表面发生电子传递过程，其中电子通过导带传递到二氧化钛表面，并参与还原反应，而空穴则通过空穴传递到表面或溶液中，参与氧化反应。
这种电子传递过程为催化反应提供了动力学基础。
3. 晶格缺陷和表面缺陷：二氧化钛存在晶格缺陷和表面缺陷，其中晶格缺陷包括氧空位和钛间隙，表面缺陷包括氧空位和钛氧键断裂等。
这些缺陷位点可以吸附气体分子，提高反应物的吸附能力和活性，促进催化反应的发生。
4. 活性位点：二氧化钛表面存在不同的活性位点，如晶面、缺陷位点、边缘位点等。
这些活性位点具有不同的催化活性和选择性，可以有效地催化不同的反应。
综上所述，二氧化钛催化作用的原理可以归结为光催化作用、电子传递、晶格缺陷和表面缺陷以及活性位点的协同作用。
通过对这些催化原理的深入研究，可以更好地理解和优化二氧化钛在催化领域的应用。
纳米二氧化钛对 Tl（I）离子的吸附性能研究
纳米二氧化钛对 Tl（I）离子的吸附性能研究邓红梅;王耀龙;吴宏海;刘涛;张紫君;武高远;陈永亨【摘要】采用批处理吸附实验，研究了纳米二氧化钛（nano-TiO2）对水溶液中Tl（I）离子的去除及其初步机理．结果表明，nano-TiO2对 Tl（I）吸附随 pH 而增大，当 pH 大于等电点（6．0）时，Tl（I）离子被迅速吸附，pH ＝10吸附率达99％．nano-TiO2对 Tl（I）的吸附在30 min 内达到平衡，并满足准一级动力学方程．在温度为288、303、318 K 的条件下，Tl（I）初始浓度为10～1000 mg·L －1时，饱和吸附量分别为15．7、13．8、11．6 mg·g －1，符合Langmuir 吸附等温式．吸附过程的ΔG 和ΔH 均为负值，表明该过程是自发的放热过程．实验证明，TiO2是一种极具潜力的 Tl（I）的吸附剂．%Nanometer titanium dioxide (nano-TiO2 )removal of Tl(I)from aqueous solution and its preliminary mechanism were investigated by using the batch adsorption experiments.The adsorption of Tl(I)onto nano-TiO2 decreased with the increase of solution pH.When the pH of solution was higher than the isoelectric point (6.0),the adsorption was fast and adsorption efficiency reached up to 99% at pH1 0.The adsorption of Tl(I) onto nano-TiO2 reached equilibrium within 30 minutes and was fitted well by the pseudo-first-order model.Mo-reover,when the initial concentrations of Tl(I)in solution was 1 0 ~1 000 mg·L -1 ,the adsorption was fitted well by the Langmuir isotherm and at temperature 288,303,31 8 K the maximum adsorption of Tl(I)onto nano-TiO2 were up to 1 5.7,1 3.8,1 1 .6 mg·g -1 ,respectively.The value of ΔG and ΔH were negative during the adsorption,which showed that the adsorption of Tl(I)onto nano-TiO2 wasessentially an exothermic and spontaneous process.These results indicated that nano-TiO2 could be a very promising adsorbent for removal of Tl(I).【期刊名称】《广州大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】7页(P17-23)【关键词】铊;纳米二氧化钛;动力学;等温线;热力学【作者】邓红梅;王耀龙;吴宏海;刘涛;张紫君;武高远;陈永亨【作者单位】广州大学环境科学与工程学院，广东广州 510006; 广州大学珠江三角洲水质安全与保护省部共建重点实验室，广东广州 510006;广州大学环境科学与工程学院，广东广州 510006; 华南师范大学化学与环境学院，广东广州510006;华南师范大学化学与环境学院，广东广州 510006;广州大学土木工程学院，广东广州 510006;北京大学深圳研究生院环境与能源学院，广东深圳518055;广州大学环境科学与工程学院，广东广州 510006; 广州大学珠江三角洲水质安全与保护省部共建重点实验室，广东广州 510006;广州大学环境科学与工程学院，广东广州 510006; 广州大学珠江三角洲水质安全与保护省部共建重点实验室，广东广州 510006【正文语种】中文【中图分类】X71铊（Tl）是一种稀有、分散重金属，它对哺乳动物的毒害作用远远大于Cu、Pb、Zn、Hg、Cd等常规重金属［1－2］.Tl在环境中有一价（Tl（I））和三价（Tl （III））2种价态［3］，Tl（I）形成的化合物通常具有更高的溶解度，更易于通过水体迁移进入其它环境介质中，因此，存在于环境中的Tl（I）比Tl（III）具有更高的危害性［2］.Tl易在骨髓、肾脏等器官内蓄积，一般症状为毛发脱落、胃肠道反应、神经系统损伤等，严重时会对机体造成永久性损伤，如肌肉萎缩、中枢神经系统损伤等［1］.Tl以其高毒性、强蓄积性愈来愈受到人们的重视.我国已于2011年正式将元素Tl列为《重金属污染综合防治“十二五”规划》中的重点防治对象之一.美国环保署规定Tl的含量，在饮用水中不得超过2μg· L－1，海水中不得超过4μg·L－1，工业废水中不得超过140μg·L－1［4］.近些年，随着矿山开采、重金属冶炼等工业开发规模的加大［5－7］，Tl对环境造成的污染也日益加重，污染水体事件时有发生.如2010年10月22日，广东北江水体发生Tl污染事件［8］，出水口的Tl浓度高达1 067μg·L－1，沿线所设12个断面中Tl浓度介于0.18～1.03μg· L－1，均超过国家地表水环境质量标准.因此，去除与控制环境中的Tl显得尤为重要.吸附法因其价格低廉，方法简单而被广泛应用于重金属的去除.目前针对T1的吸附去除的吸附材料包括活性炭［9］、木屑［10］、聚丙烯酰胺［11］、沸石［12］、地质材料［13］和水合二氧化锰［14］等.随着纳米材料的兴起，一些学者探索利用多壁碳纳米管和纳米二氧化钛（nano-TiO2）吸附去除水中Tl（I）和Tl（III）［15－17］，吸附速度快，吸附容量较高.而仅有ZHANG等［17］研究了锐钛型TiO2对Tl（III）的吸附性能，并未见Tl（I）的报道.因此，本文研究了nano-TiO2对Tl（I）的吸附规律，考察溶液的pH、离子强度、投加量、时间、Tl（I）的初始浓度和温度等不同因素对吸附的影响，同时还分析了吸附过程的热力学和动力学，探讨了nano-TiO2的吸附机理，以期为水体和土壤Tl污染治理和修复提供一定的科学依据.1.1 材料和试剂二氧化钛（TiO2），购自于阿拉丁（上海）试剂有限公司，没有做进一步的提纯处理.NaNO3、NaOH和HNO3购自于广州化学试剂厂.实验所用的药品均为分析纯.TI（I）储备液用TlNO3（Acros，Belgium）和二次去离子水配制.1.2 仪器pH计（Sartorius pH-10）；火焰原子吸收分光光度计（FAAS，SHIMADZU AA-6800，Japan）；X射线衍射仪（PANalytical X’pert）；比表面积和孔径采用BET法［18］；阳离子交换量采用BaCl2-H2SO4方法［19］；电荷零点（pHzpc）采用电位滴定法［20］.1.3 吸附实验nano-TiO2对Tl（I）的吸附实验在室温下进行，以0.01 mol·L－1NaNO3为支持电解质，配制浓度为2.5 g·L－1的TiO2悬浊液，用0.01 mol· L－1NaOH和0.01 mol·L－1HNO3调节悬浊液的pH，使悬浊液的pH在吸附前后变化不超过±0.1.吸取20 mL悬浊液于50 mL聚丙烯管中，加入一定量Tl标准储备液，使得加入后聚丙烯管中溶液Tl（I）浓度为20 mg·L－1.在303 K条件下，振荡24 h，4 500 rpm离心5 min，0.45μm滤膜过滤，滤液采用火焰原子吸收分光光度计测试.测试条件：波长276.8 nm，光谱带宽0.5 nm，灯电流为8 mA.每组3个平行样品，结果取其平均值.管壁吸附经实验验证可以忽略不计.计算吸附容量和吸附率（adsorption efficiency）如下公式：式中：C0和C分别为Tl（I）的初始浓度和剩余浓度，mg·L－1；m为吸附剂使用量，mg；V为溶液体积，L.1.4 脱附实验脱附实验采用NaNO3为背景，以验证TiO2吸附过程发生的位置和结合的紧密程度.移除15 mL吸附后的上清液，加入15 mL的0.01 mol·L－1NaNO3溶液，然后，在303 K的温度下，振荡2 h，离心（4 500 rpm）5 min，0.45μm过滤.实验重复5次，滤液上机测试.脱附率（Desorption efficiency）的计算公式如下：1.5 数据分析方法（1）动力学分析方法吸附动力学取决于吸附质-吸附剂之间的相互反应和实验条件.为了更好的解释吸附剂与Tl（I）之间可能的吸附机制，本文使用拉格朗日（Lagergren）准一级动力学模型［21］、准二级动力学模型（Ho）模型［22］拟合了动力学实验数据. Lagergren准一级动力学方程［21］：Ho准二级动力学方程［22］：式中：k1、k2是吸附速率常数，min－1、g·mg－1·min－1；qt是t时间的吸附量，mg·g－1；qe是平衡吸附容量，mg·g－1.（2）吸附等温线数据分析方法本文对Tl（I）吸附数据分别使用了2种最常用的吸附等温线，模型分析如下：①Langmuir模型［23］是基于假设：吸附为单分子层吸附，而且被吸附上的吸附质分子之间没有相互作用，线性方程式如下：②Freundlich模型［24］一般应用在不均匀表面发生的多分子层吸附和非理想吸附中，吸附剂表面的被吸附分子存在吸附热分布不均匀的相互反应，线性方程式如下：式中：qe为吸附容量，mg·g－1；Ce为平衡浓度，mg· L－1；qmax为最大吸附容量，mg·g－1；Langmuir方程中的kL值是与吸附能有关的吸附平衡常数，L· mg－1；Freundlich方程中的n值也可以作为重金属吸附力强度的指标，n＜1代表此条件有利于吸附. kf为平衡常数，mg·g－1.（3）热力学数据分析方法热力学数据可以表现出吸附的本质能量变化信息.焓变（ΔH），熵变（ΔS）和吉布斯自由能函数变（ΔG）可以利用不同温度下的吸附数据通过以下公式计算出来：式中：Kc是平衡常数，R为气体常数，T为绝对温度.根据式（9）由不同温度下的吸附平衡常数Kc计算出ΔG的数值，以ΔG－T做线性回归，通过直线的斜率和截距求得焓变ΔH和熵变ΔS.2.1 nano-TiO2的理化性质nano-TiO2比表面积和孔径分别为112.7 m2· g－1和10.2 nm；阳离子交换为22.5 meq·100 g－1；电荷零点（pHzpc）为6.0.nano-TiO2的X射线图谱如图1.在2θ角度值为25.29°、37.98°、48.03°、53.92°、55.06°、62.68°，有6处峰较明显，分别对应101、004、200、105、211、204晶面，与锐钛型TiO2的标准图谱（JCPDS 89-4921）对比吻合，可以证明该材料为锐钛型TiO2，其粒径大小约为6.4～12.1 nm.2.2 离子强度对nano-TiO2吸附Tl（I）的影响离子强度是影响吸附的重要因素，图2为不同离子强度下（NaNO3浓度，0～1.0 M），nano-TiO2对Tl（I）吸附容量的变化曲线.Nano-TiO2对Tl（I）吸附容量在实验范围内，随着离子强度的增大先逐渐减小后趋于稳定，但下降幅度不大.研究结果表明，总体上nano-TiO2对Tl（I）的吸附都在一定程度上受到了抑制，吸附率下降，但影响不大.因此可以推测nano-TiO2对Tl（I）的吸附包括离子交换吸附，但离子交换的程度不大.进一步说明nano-TiO2对Tl（I）的吸附主要是通过其表面负电荷与Tl（I）的静电吸引作用.2.3 pH对nano-TiO2吸附Tl（I）的影响pH是影响金属离子在金属氧化物上的吸附量的重要因素，因为溶液的pH影响nano-TiO2表面点位的分布规律［17］.图3表示，nano-TiO2的吸附容量随着pH的变化曲线，在pH 2～10时，Tl在水溶液中主要以TI（I）存在.在高pH下，nano-TiO2表面的OH－提供了吸附的点位，而降低pH则导致nano-TiO2表面负电荷减少，使得吸附容量降低.其原因可能如下：①在零点电荷pH＝6.0时，nano-TiO2的表面不带电.当pH＜6.0，nano-TiO2的表面带正电荷，这增强了nano-TiO2与TI（I）的静电力，并且溶液中的H＋与Tl＋相互竞争nano-TiO2表面的可结合位点，所以吸附较慢；②当pH高于nano-TiO2的等电点时，nano-TiO2表面带负电荷，Tl（I）离子被迅速吸附；③在pH＝8时，吸附效率大于80%，吸附容量为17.88 mg·g－1；而pH ＝10时，吸附效率已达99%，吸附容量为21.11 mg·g－1，吸附趋于完全.实验表明，nano-TiO2的吸附效果碱性条件比酸性条件好.此外，也可能由于在高pH条件下Tl（I）与OH－结合，形成TlOH或Tl2O沉淀（Ksp分别为－12.92、－27.09），又由于TiO2的比表面积大，从而能够吸附更多的Tl（I）.ZHANG等［17］的研究表明，锐钛型TiO2对Tl（III）的吸附率随pH的增大而增大，与本文一致.2.4 投加量对nano-TiO2吸附Tl（I）的影响投加量是影响nano-TiO2吸附Tl（I）的因素之一，实验结果见表1.吸附率随投加量增大而增大，吸附容量反之，其中吸附率或者吸附容量均发生由快到慢的变化，并趋于平缓.吸附剂用量为5.0 g·L－1时，吸附效率高达81.5%.结果表明：①投加量小，重金属能轻易的吸附在吸附剂上.投加量多时，吸附剂过度拥挤，重金属很难到达吸附点位，形成固体浓度效应；②大量的吸附剂可能造成团聚，从而减少整体表面积以及增加重金属到达吸附点位的距离，形成固体团聚效应［25］，从而造成了吸附率不断升高，但很难达到吸附完全.2.5 时间对nano-TiO2吸附Tl（I）的影响研究不同的接触时间（5 min～24 h）对Tl（I）的影响见图4.在吸附开始的前5 min，吸附量增加较为迅速，在接下来的20 min内，吸附量增加缓慢，然后在30 min之后达到平衡，表明该吸附反应是快速吸附过程.因此对nano-TiO2来说，意味着Tl（I）与TiO2表面的负电荷相互吸引［26］，并且吸附过程迅速.将实验数据根据式（4）、（5）进行线性拟合，所得纳米TiO2的动力学参数和相关系数见表2.由表2可见，准一级动力学模型的相关系数r2比准二级动力学模型的更高.这意味着准一级动力学模型能更好的描述Tl（I）在nano-TiO2上的吸附动力学.准一级动力学模型的计算平衡吸附量与实验值相接近也同样能说明这点.2.6 等温吸附曲线和热力学研究不同温度（288，303，318 K）条件下，nano-TiO2对Tl（I）吸附的影响见图5.温度降低能显著增强Tl（I）在nano-TiO2上的吸附量.在288 K时nano-TiO2的吸附量为15.7 mg·g－1，而升高温度到318 K时，nano-TiO2的吸附容量仅为12.7 mg· g－1.说明纳米TiO2对Tl（I）的吸附是放热过程.表3列出了3种不同温度下，Tl（I）在nano-TiO2上的Langmuir，Freundlich 吸附等温线模型拟合吸附参数.总体来看，2种吸附模型中Langmuir模型的相关系数r2（＞0.99）最大，也就是说TiO2在3种不同温度时的吸附Tl（I）过程较符合Langmuir模型.这意味着吸附主要为单层吸附，而表中nano-TiO2的Freundlich常数n＞1说明吸附是容易进行的，并且发生少量的多层吸附［27］. 通过Langmuir方程计算出的最大吸附容量出现在288 K，结果为16.1 mg·g－1.ZHANG等［17］在Tl（III）浓度为1～35 mg·L－1时，nano-TiO2的最大饱和吸附量为4.87 mg·g－1.可以表明锐钛型nano-TiO2对Tl的2种价态均有一定吸附作用.另一个值得注意的因素是温度的变化.因此，引入热力学参数评价温度对吸附的影响，结果见表4.由表4可知，nano-TiO2的ΔH＜0的，说明其吸附Tl（I）是放热反应，这与吸附等温线的结果是一致的.负的吉布斯函数变ΔG表明nano-TiO2吸附Tl（I）过程均可自发进行.除此之外，nano-TiO2吸附Tl（I）的ΔG随着温度的增加而较大幅度的降低，表明温度较高时吸附效率更高，这也与等温吸附实验结果相符.ΔS＞0，说明随着温度的增加熵值增加，即体系的紊乱度增加（物理吸附紊乱度减小）.2.7 脱附实验脱附实验进行5次，其结果见图6.nano-TiO2第1次脱附率为45%，而在第3次就达到脱附平衡（59%）.以上结果表明，被nano-TiO2吸附的Tl（I）可以很容易被解吸下来，这同样能反映出静电吸引是主要的吸附机制.（1）离子强度对吸附基本没有影响，在0.01 mol·L－1时吸附量稍大.（2）pH增加有利于nano-TiO2的吸附.当pH高于nano-TiO2的等电点（5.96）时，吸附率大幅度提高；pH＝10时吸附率达99.5%.（3）nano-TiO2能较快的吸附Tl（I），在30 min即能基本吸附完全.准一级动力学方程拟合效果好，r2达0.99以上.（4）在288，303，318 K 3温度下，nano-TiO2对Tl（I）的吸附随着温度的升高而降低，属于放热反应，并且均符合Langmuir吸附等温式.【相关文献】［1］GALVÁN-ARZATE S，SANTAMARIA A.Thallium toxicity［J］.Toxicol Lett，1998，99（1）：1-13.［2］ CHEAM V.Thallium contamination of water in Canada［J］.Water Qual Res JCan，2001，36（4）：851-877.［3］ LAN C H，LIN T S.Acute toxicity of trivalent thallium compounds to Daphniamagna ［J］.Ecotox Environ Saf，2005，61：432-435.［4］ NTIS（National Technical Information Service）USEPA.Ambient water qualitycriteria for thallium［Z］.EPA 440／5-80-074.U.S.1980.［5］邓红梅，陈永亨，刘涛，等.铊在土壤－植物系统中的迁移积累［J］.环境化学，2013，32（9）：1749-1757.DENG H M，CHENG Y H，LIU T，etal.Study on the translocation and accumulation of thallium in soil-plant system［J］. 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二氧化钛吸附研究及应用概述
江默语
（昆明理工大学材料科学与工程学院，云南昆明 650093）摘要：近年来，随着理论计算方法的发展和计算能力的提高，以及纳米技术的发展，借助投射电镜等各种研究设备，人们对二氧化钛(TiO2)的了解逐渐加深。
二氧化钛(TiO2)由于其具有的独特性质，开始在光催化、CO氧化以及太阳能电池等多个领域被广泛应用。
尤其是对二氧化钛(TiO2)吸附以及催化特性的研究与应用，在环境污染治理、医学研究、化工等领域具有不可替代的作用。
关键词：二氧化钛，表面吸附，镉离子污染，有机物污染
Research and Applications of Titanium Dioxide Adsorption
JIANGmo-yu
(School of Materials and Engineering, Kunming University of Science and
Technology, Kunming, 650093, China)
Abstract:Recently, with the development of theoretical calculation method, calculation ability and nanotechnology , scientists are getting to know more about Titanium dioxideunder the help oftransmission electron microscope. Titanium dioxide, due to its unique properties, is playing an important part in photochemical catalysis, oxidization of carbonic oxide and the development of solar cell. Specially,studies about externaladsorption andCatalytic properties of Titanium dioxide, is becoming more and more important in pollution administration, medical research, chemical industry and so on.
Keywords: Titanium dioxide,externaladsorption, Cadmium ionpollution, organic pollution
0引言
纳米二氧化钛是指粒径尺寸在100nm以内的粒子,由于其粒子尺寸小、比表面积大,表面能表面张力随粒径的下降急剧增大而使其具有一系列新异的物理化学性质,如量子效应、体积效应表面效应等,在净化水体和空气等方面起着重要的作用。
此外,纳米二氧化钛表面原子周围缺少相邻的原子,具有不饱和度,易于其他原子结合而稳定下来,对许多金属离子具有很强的吸附能力,是衡量金属离子分析的理想分离富集材料。
1.二氧化钛基本介绍
近些年来，关于金属氧化物表面科学的研究已经逐渐成为一个新兴的研究领域。
很多研究人员已经在这个领域取得了巨大成就。
在这些金属氧化物中，二氧化钛是一个重要成员，甚至被称为金属氧化物模型表面的代表。
在自然界中，二氧化钛存在三种形态的矿物结构:金红石型，锐钛矿型和板钛矿型(见图1.1)。
在这三种结构中，金红石型是最为常见和稳定的结构。
从实验的角度来说，其他两种形态的二氧化钛都可以通过加热的方式最终转变成金红石型。
目前在自然界中还没有发现天然的大块Ti02单晶体，要获得高纯度二氧化钛，可以通过氯气处理天然矿石来获得。
图1-1 二氧化钛主要的三种矿物结构堆垛结构图
在二氧化钛的三种结构中，只有金红石型和锐钛矿型在二氧化钛应用中占主要角色，同时在表面科学研究中它们也是主要的研究对象。
而且大块的锐钛矿型二氧化钛单晶目前人们还基本没有办法合成得到，目前世界上只有美国新奥尔良大学的Diebold组拥有一块较大的天然锐钛矿型二氧化钛单晶，所以在当前表面科学的研究中金红石型的比重是远大于锐钛矿型的。
本文所介绍的二氧化钛都是以金红石型为主。
图1-2 金红石型Ti02晶体原包结构图
二氧化钛是一个四角形的结构，每个晶胞由两个Ti原子和四个O原子组成。
每个Ti原子被六个O原子所包围，六个O原子组成一个八面体，八面体中间容纳一个Ti原子，在晶体中八面体由相互成九十度的长轴连接起来，每个O原子都是三配位的。
四次对称和二次对称的Ti-O原子之间的键长分别为1.946Å和1.983Å。
具体结构参数见图1.2。
金红石型二氧化钛是一个宽禁带半导体，其禁带宽度大约为3eV。
价带主要由02p轨道贡献，导带主要是由Ti3d轨道贡献。
图1.3所示的是理论计算得到的金红石Ti02体态的局域态密度((DOS图)。
图1-3 金红石型Ti02晶体的体态DOS图
2. 二氧化钛吸附介绍
纳米二氧化钛是指粒径尺寸在100nm以内的粒子,由于其粒子尺寸小、比表面积大,表面能表面张力随粒径的下降急剧增大而使其具有一系列新异的物理化学性质,如量子效应、体积效应表面效应等,在净化水体和空气等方面起着重要的作用。
此外,纳米二氧化钛表面原子周围缺少相邻的原子,具有不饱和度,易于其他原子结合而稳定下来,对许多金属离子具有很强的吸附能力,是衡量金属离子分析的理想分离富集材料。
3.应用概述
（1）镉是一种对人体毒性很大的金属元素,是环境污染的主要元素之一,人体摄入过多会严重影响人的肾脏、肝和肺等,镉离子污染不同于有机物污染,后者可以在环境中被其他微生物降解,而镉污染一旦形成,将很难治理。
因此研究废水中镉离子的吸附问题具有重要的现实意义。
利用二氧化钛的吸附作用，可以达到治理重金属离子污染的目的。
（2）近年来，有机物污染问题己经成为全球性的问题。
解决这一问题最有效的方法之一就是光催化降解。
二氧化钛纳米材料由于其本身生产成本低，无毒
性，无二次污染，化学稳定性及光催化活性高等优势，己经被广泛的用于光催化降解有机污染物。
但是由于二氧化钛具有较宽的带隙，不能有效的吸收可见光以及光生电子一空穴对的复合等原因降低了其光催化效率，限制了其作为光催化剂的广泛应用。
为了提高二氧化钛在可见光条件下光催化降解有机物的效率，许多科研工作者付出了很大的努力，其中最有效的方法之一就是对Ti02进行掺杂。
Ti02的掺杂包括金属元素和非金属元素掺杂。
非金属元素掺杂，像N, C,F,S等掺杂可以使光催化剂的带隙变窄，从而提高可见光下的降解率。
金属离子像Fe, V, Cr, Nd, La等掺杂可以提高光生电子一空穴对的分离率，对光催化活性的提高有重要影响。
Ti02中过渡金属掺杂剂可以提高电子的捕获率，阻止光生电子—空穴对的重合。
稀土元素掺杂会提高催化剂的表面吸附。
（3）二氧化钛由于其独特的催化性能，已经在世界上被广泛应用。
例如，TiO2可以被用来光催化处理废水，医学上可以用于人体的植入组织，太阳能电池中用于产生氢能与电能，另外还有一些用于光学涂料和器件等。
当二氧化钛表面被紫外线照射时，它会变成有一个杀菌的表面，可以在很长一段时间内杀死接触的细菌。
当二氧化钛中掺入铝的正三价离子的时候，它又可以变成一个强有力耐用的化学活性材料，这时，可以用于墨水、陶器等等。
由于二氧化钛散射光线，二氧化钛可以用于防晒霜而不伤害皮肤。
另外，二氧化钛还可以用于清洁空气，用于分解空气中的一些有害物质。
4.结论
通过本文可获得以下结论：
科学技术是一把双刃剑，再造福人类、为人类社会带来方便、快捷的同时也在给自然、环境带来一些负面作用。
而科学工作者的责任就是用好这把双刃剑，
在造福人类的同时，兼顾自然、环境的保护，从而获得持续、长久发展！
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