磁性納米材料在重金屬分離富集方法中的應(yīng)用

1、目 錄摘要.IContrast.I前言.II第一章 納米材料.11.1納米材料簡介.11.2納米材料的特性.2第二章 納米磁性材料.32.1磁性功能材料的磁學(xué)性質(zhì)及表征方法.52.2磁性納米粒子的制備.52.2.1共沉淀法.52.2.2高溫分解法.62.2.3球磨法.62.2.4溶膠凝膠法.62.2.5水熱法與溶劑熱法.6第3章 重金屬離子的檢測及分離富集方法.63.1重金屬的檢測方法.73.1.1原子發(fā)射光譜法.73.1.2電感耦合等離子質(zhì)譜法.73.1.3原子熒光光譜法 .73.1.4原子吸收光譜法.83.2重金屬離子的分離富集方法.83.2.1固相萃取.83.2.2共沉淀法.83.2.3

2、液液萃取法.83.2.4離子交換分離法.9總結(jié)與展望.10參考文獻(xiàn)致謝磁性納米材料在重金屬分離富集方法中的應(yīng)用摘要：隨著人類生產(chǎn)生活活動(dòng)的進(jìn)一步發(fā)展，人類在提高生產(chǎn)力和生產(chǎn)水平的過程中也帶來了了環(huán)境污染。其中重金屬對(duì)人類生命健康的危害不容小覷，因此如何有效分離檢測重金屬成為當(dāng)今人類急需攻克的難題。磁性納米材料是最近新興的一種具有特殊性質(zhì)的納米材料，它可有效用于重金屬的檢測與分離富集，因此備受科學(xué)家們的關(guān)注。本文重點(diǎn)從以下三個(gè)方面將行了介紹： 1、納米材料的分類及其性質(zhì) 2、磁性功能材料的磁學(xué)性質(zhì)及表征方法和磁性納米材料的制備 3、重金屬離子的檢測及分離富集方法關(guān)鍵詞：納米材料、磁性納米材料、重

3、金屬離子、檢測、富集Contrast: With the fast development of human production and life activities, environmental pollution also comes out.The affection of heavy metals on human life and health hazards should not be underestimated, so how effective separation and detection of heavy metals becomes an urgent need

4、to overcome the problem of mankind. Magnetic nano-materials is a recently emerging nano-materials with special properties, it can be useful for detection and separation and enrichment of heavy metals, which gets scientists' much attention. This article focuses on the following three aspects will

5、 introduce the line: 1.Classification and properties of nano-materials. 2.Prepared magnetic properties, magnetic materials and functional characterization and magnetic nano-materials. 3.The method of detection and separation and enrichment of heavy metal ions.I前 言重金屬污染具有隱蔽性、潛伏時(shí)間長、具有一定的累積性、影響范圍大、難以治理

6、等特點(diǎn)。1953年，在日本發(fā)生影響巨大的“水俁病”，“水俁病”的產(chǎn)生就是由于河水受到甲基汞的污染，人們誤喝了河水，并誤食了河水中的水生生物，使得甲基汞在人體內(nèi)累積，當(dāng)累積的量達(dá)到一定程度后就會(huì)引起人體發(fā)病。近年來，我國發(fā)生重金屬污染的事件也屢見不鮮。如何有效地檢測重金屬并對(duì)其進(jìn)行分離富集備受科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。納米材料是近年來科學(xué)家們研究的一個(gè)熱點(diǎn)，納米材料的尺寸介于微觀與宏觀之間，納米材料被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前景的技術(shù)。隨著人們探索的不斷深入，納米材料的合成方法不斷完善，不同的合成方法對(duì)納米材料的微觀結(jié)構(gòu)具有一定的影響，并有可能直接影響到其性能。人們?cè)诩{米材料研究的基礎(chǔ)上又發(fā)現(xiàn)了具有磁性

7、的納米材料，將其稱為磁性納米材料。磁性納米材料是當(dāng)今新型的一個(gè)研究熱點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。磁性納米材料兼具納米材料的特性，又有不同于納米材料的獨(dú)特性質(zhì)，受到人們的廣泛關(guān)注。它所涉及到的科學(xué)技術(shù)是物理、化學(xué)、生物等多門科學(xué)的交叉，為科技的發(fā)展和進(jìn)步帶來了新的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)，并不斷給人類帶來新的產(chǎn)品和新科技。II第一章 納米材料1.1納米材料簡介納米技術(shù)誕生于20世紀(jì)80年代末，隨后得到快速的發(fā)展，人們?cè)谶@一領(lǐng)域的研究已取得極大的進(jìn)展。它是一門研究尺寸在10-10到10-7m范圍內(nèi)物質(zhì)及其制備方法、組成、性質(zhì)以及應(yīng)用的科學(xué)。納米科技研究的領(lǐng)域是非宏觀、非微觀的中間領(lǐng)域，它為人類認(rèn)識(shí)世界開辟了新的

8、層次，使得人們能夠從分子水平、原子水平改造自然，使得人類的科學(xué)技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。納米技術(shù)已成為本世紀(jì)科技革命的主導(dǎo)；納米技術(shù)是物理、化學(xué)、生物以及材料科學(xué)的交叉領(lǐng)域，具有強(qiáng)大的生命力；它所牽扯到的一些現(xiàn)象很難用傳統(tǒng)的物理、化學(xué)、生物等知識(shí)加以解釋，它勢必將許多學(xué)科的研究推向一個(gè)新的層次，同時(shí)科學(xué)技術(shù)的革新帶來新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。納米材料是指顆粒直徑為納米量級(jí)（0.1100nm)的超微粒子及由其聚集而成的固體納米材料1。包含金屬、非金屬、有機(jī)、無機(jī)、電子、生物等多種材料。從維度上可分為零維納米材料、一維納米材料、二維納米材料以及三維納米材料。(1)零維：是指空間三維尺度均處于納米尺度。如納米

9、顆粒；(2)一維：是指空間三維尺度中有兩維處于納米尺度，如納米管、納米纖維； (3)二維：是指空間三維尺度中有一維處于納米尺度，如納米膜、超晶格；(4) 三維：即納米塊狀材料，是一個(gè)特例，盡管其外形尺寸不是納米級(jí)，但其中含有納米材料，是由納米顆粒堆積成的體相材料2。1.2納米材料的特性在三維空間至少有一維處于納米尺度范圍內(nèi)（1-100nm)范圍內(nèi)的材料才可被稱作納米材料。納米材料滋生的尺寸處于微、宏觀之間，獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使它展現(xiàn)出獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)。納米材料的特殊型主要表現(xiàn)字以下幾個(gè)方面：量子尺寸效應(yīng)：當(dāng)顆粒內(nèi)原子的個(gè)數(shù)有限時(shí)，隨顆粒尺寸的變小，顆粒內(nèi)部的電子能級(jí)由原來的準(zhǔn)連續(xù)狀態(tài)逐漸變得離散，

10、能級(jí)間的能隙變寬。當(dāng)能級(jí)間的能隙間距大于材料物性的熱能、磁能、靜電能、光子能等時(shí)，便導(dǎo)致了納米粒子區(qū)別于宏觀材料物性的特性產(chǎn)生。比如材料從原來的導(dǎo)體變成絕緣體，比熱反常變化，光譜線向短波長方向的移動(dòng)等 3 。表面與界面效應(yīng):納米材料的尺寸較小，表面原子占總體體積的比例大，這種特點(diǎn)使納米材料有非常大的表面能。同時(shí)隨著尺寸的減小，納米材料存在著表面的原子數(shù)及所占比例迅速增大的現(xiàn)象，如圖（1a)所示。比表面積的加大，使原子配位得不到滿足，從而產(chǎn)生未飽和鍵，使納米顆粒表面產(chǎn)生缺陷，缺陷的存在增大了顆粒表面的活性，使其很容易對(duì)其它原子產(chǎn)生吸附或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)3。 小尺寸效應(yīng):是指當(dāng)納米材料晶體尺寸和光波波

11、長、磁交換長度、磁疇壁寬度、傳導(dǎo)電子的德布羅意波長、超導(dǎo)態(tài)相干長度或透射深度等物理特征性尺寸相當(dāng)或比它們更小時(shí)，原有晶體周期性邊界條件被破壞，物性也出現(xiàn)新的效應(yīng)，出現(xiàn)光吸收顯著增加，產(chǎn)生吸收峰的等粒子共振頻移，超導(dǎo)相轉(zhuǎn)變?yōu)檎Ｏ啵曌幼V發(fā)生改變等從磁有序變成磁無序，磁矯頑力變化，金屬熔點(diǎn)下降等。如圖（1b）所示，金納米材料的熔點(diǎn)和尺寸的變化就是一個(gè)典型的例子4。導(dǎo)致這種變化的原因在于納米材料尺寸、所包含的原子、分子數(shù)目及其運(yùn)動(dòng)速度狀態(tài)。尺寸介于物質(zhì)的宏觀結(jié)構(gòu)與微觀原子、分子結(jié)構(gòu)的范疇對(duì)材料的物性起到?jīng)Q定性的作用3。圖1宏觀量子隧道效應(yīng)：微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一

12、些宏觀量，例如微粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量和電荷等也具有隧道效應(yīng)稱為宏觀量子隧道效應(yīng)MQT(Macroscopic Quantum Tunneling)。量子遂穿的概率與勢阱的深度、壁厚、形狀有關(guān)，通過改變勢阱的深度、壁厚、形狀就可以改變其對(duì)電子的束縛。宏觀量子隧道效應(yīng)的研究對(duì)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究都有著重要意義。它限定了磁帶、磁盤進(jìn)行信息儲(chǔ)存的時(shí)間極限。量子尺寸效應(yīng)、隧道效應(yīng)將會(huì)是未來微電子器件的基礎(chǔ)，或者它確定了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限1。第2章 納米磁性材料磁性是物質(zhì)的基本屬性之一，可以說任何物質(zhì)都具有磁性，只不過所具有的磁性大小有差異。自然界中存在著大量的磁性納米材料，如帶有

13、記憶功能的信鴿、蜜蜂、蝴蝶、海龜、海豚、依靠磁性生存的趨磁細(xì)菌等，它們的生命中每時(shí)每刻都展現(xiàn)著磁性納米材料的神奇魅力。早在3000年前，古人就已經(jīng)知道利用磁性制造出辨別方向的指南針，指南針的使用推進(jìn)了人類文明的進(jìn)步。磁性納米材料是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新型納米復(fù)合材料。其集納米材料與磁性材料的性質(zhì)與一身。它是綜合運(yùn)用納米技術(shù)、化學(xué)修飾技術(shù)和生物偶聯(lián)技術(shù)等手段制造出的復(fù)合材料5，這種復(fù)合材料不僅具有一般納米材料的特性，而且具有良好的生物兼容性、表面活性和獨(dú)特的超順磁性6-7。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，可通過外加磁場對(duì)磁性材料方便迅速地定位和分離，在磁性液體、生物醫(yī)學(xué)、磁共振成像、微波吸附、催化劑載

14、體等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景8-9。磁性納米材料的磁性來源于Fe、Co、Ni、Mn等金屬及其金屬氧化物及其復(fù)合物的超細(xì)粉末的磁性響應(yīng)特性。由于與磁性相關(guān)物理長度恰好處于納米量級(jí)，致使納米磁性材料呈現(xiàn)出特殊的性質(zhì)，所以磁性納米材料的磁性特性不同于一般的磁性材料特征。因此，除了擁有常用納米材料的一般性質(zhì)(小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng))外，還呈現(xiàn)出超順磁性，高矯頑力，低居里溫度、磁化率等磁性性能，使得磁性納米材料在機(jī)械，電子，光學(xué)，磁學(xué)，化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景10-15。磁性功能材料特殊的組成使它比傳統(tǒng)的功能材料具備更廣闊的應(yīng)用前景。一方面，可以依靠自身的磁性方便、

15、快速地從復(fù)雜體系中分離出來;另一方面，也具備功能材料的諸多反應(yīng)特性，并依靠其較大的比表面積使分離過程中反應(yīng)物之間的相互作用速度大大提高，因此已經(jīng)被廣泛地用作分離材料和載體。此外，這一材料也在催化、材料科學(xué)、細(xì)胞分離、固定化酶、藥物轉(zhuǎn)運(yùn)以及環(huán)境保護(hù)等眾多領(lǐng)域中發(fā)揮了重要的作用16-21。2.1磁性功能材料的磁學(xué)性質(zhì)及表征方法由于原子核外電子的自旋和繞核運(yùn)動(dòng)使得物質(zhì)產(chǎn)生磁性?？梢詫⑦@種磁性大體分為兩類，即強(qiáng)磁性和弱磁性。其中強(qiáng)磁性包括鐵磁性和亞鐵磁性,弱磁性則包括順磁性、反鐵磁性和抗磁性22。圖 2 展示了這幾種磁性對(duì)應(yīng)的內(nèi)部磁矩排列方式:Fig. 2 The arrangements of ma

16、gnetic dipoles for paramagnetic, ferromagnetic,ferromagnetic and antiferromagnetic materials23.2.2磁性納米粒子的制備由于磁性納米粒子具有非常廣闊的應(yīng)用前景，它的制備方法引起了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注，目前人們已經(jīng)研究出來的制備方法主要有生物法、物理法和化學(xué)法。生物法是指將自然界的生物（如蝴蝶、密封、信鴿等）體內(nèi)存在的磁性納米粒子通過適當(dāng)?shù)姆椒ǚ蛛x出來。物理法是指利用機(jī)械能等作用將微米甚至亞微米級(jí)的粒子粉碎成超級(jí)細(xì)小分子?；瘜W(xué)法是指通過設(shè)計(jì)精巧的化學(xué)實(shí)驗(yàn)得到尺寸大小可控、穩(wěn)定性高、單分散性好的磁性納米微粒

17、。2.2.1共沉淀法向兩種或兩種以上含有金屬離子的可溶性鹽溶液中加入適當(dāng)沉淀劑，再將得到的沉淀物脫水或熱分解得到納米顆粒的方法稱為共沉淀法。2.2.2高溫分解法高溫分解法是指在高沸點(diǎn)有機(jī)物中加熱分解金屬有機(jī)化合物制備納米粒子的方法。2.2.3球磨法在球磨機(jī)中將大尺寸物質(zhì)通過球磨機(jī)相互研磨將其磨碎制備納米粒子的方法。2.2.4溶膠凝膠法金屬化合物經(jīng)溶液、溶膠、凝膠而固化，再經(jīng)低溫?zé)崽幚矶裳趸锘蚱渌衔锏姆椒ǚQ為溶膠凝膠法37。2.2.5水熱法與溶劑熱法反應(yīng)物在反應(yīng)釜中高溫高壓的條件下，難溶或不容的物質(zhì)在該條件下形成該物質(zhì)的溶解物，使溶液成過飽和狀態(tài)，從而析出晶體的方法稱為水熱法與溶劑熱法

18、。第三章 重金屬離子的檢測及分離富集方法人類在追求經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的生產(chǎn)生活活動(dòng)中產(chǎn)生了一些有害的化學(xué)物質(zhì)，這些物質(zhì)癥危害著人類賴以生存的家園和人類自身的生命安全。這些有害物質(zhì)包含無機(jī)有害氣體，有機(jī)揮發(fā)物質(zhì)，持久性有機(jī)污染物以及重金屬等。本文著重介紹重金屬污染物的分離與富集方法。重金屬污染具有隱蔽性、并且具有一定的潛伏性和累積性，重金屬造成的污染危害重大，影響范圍廣，難以治理。因此，對(duì)重金屬的分析檢測以及分離富集具有重要的意義。3.1重金屬的檢測方法重金屬污染影響范圍大、具有一定的累積性、難以治理，嚴(yán)重威脅著人類的生存環(huán)境和身體健康，因此，在人類生產(chǎn)生活中對(duì)于重金屬的檢測意義重大。目前，常用的重金

19、屬檢測方法有原子發(fā)射光譜法、電感耦合等離子質(zhì)譜法、原子熒光光譜法、原子吸收光譜法。下面將對(duì)上述方法進(jìn)行具體介紹。3.1.1原子發(fā)射光譜法原子發(fā)射光譜法(AES）簡稱發(fā)射光譜法，當(dāng)氣態(tài)離子、原子受熱或電激發(fā)時(shí)，產(chǎn)生紫外或可見光域內(nèi)的特征譜線，根據(jù)各元素所發(fā)射的特征波長的譜線進(jìn)行定性分析，根據(jù)發(fā)射譜線的強(qiáng)度進(jìn)行定量分析。目前，原子發(fā)射光譜法大多使用ICP作為光源，從而產(chǎn)生了電感禍合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-AES),等離子體的高溫消除了火焰中存在的許多化學(xué)干擾，而且由于此時(shí)大多數(shù)元素都容易被激發(fā)，因此也可適用于難熔氧化物元素及難激發(fā)的元素。工CP-AES法具有檢出限低、精確度高、選擇性好、線性范

20、圍寬、測定范圍廣、分析速度快等優(yōu)點(diǎn)，并且能同時(shí)測定多種元素，在微量元素分析中得到了廣泛應(yīng)用25一28。3.1.2電感耦合等離子質(zhì)譜法電感耦合等離子質(zhì)譜法是將液體樣品在霧化室內(nèi)進(jìn)行汽化，然后由載氣攜帶汽化后的液體樣品進(jìn)入ICP炬焰，在等離子的高溫下使樣品經(jīng)過蒸發(fā)、解離、電離過程轉(zhuǎn)化為帶正電荷的陽離子，進(jìn)入信息采集系統(tǒng)，通過質(zhì)核比對(duì)樣品進(jìn)行分離。3.1.3原子熒光光譜法原子熒光光譜法是指是基態(tài)原子(一般是蒸汽狀態(tài))吸收適合的特定頻率的輻射而被激發(fā)至高能態(tài)，而后激發(fā)過程中以光輻射的形式發(fā)射出特征波長的熒光，根據(jù)熒光強(qiáng)度進(jìn)行定量分析的方法2。 3.1.4原子吸收光譜法 原子吸收光譜法是基于物質(zhì)所產(chǎn)生的

21、原子蒸氣對(duì)特定譜線(通常是待測元素的特征譜線)的吸收作用來進(jìn)行定量分析的一種方法。可分為火焰原子吸收(FAAS )和電熱蒸發(fā)石墨爐原子吸收(ETAAS )法。FAAS重現(xiàn)性好，易于操作，已成為原子吸收分析的標(biāo)準(zhǔn)方法，但是較低的原子化效率(僅約10%)制約了它靈敏度的提高。ETAAS的最大優(yōu)點(diǎn)是注入試樣原子化效率可達(dá)90%以上，靈敏度可增加10-200倍29。3.2重金屬離子的分離富集方法3.2.1固相萃取固相萃取法(SPE)是基于液固分離萃取的樣品預(yù)處理技術(shù)，它將固液萃取與色譜分離技術(shù)聯(lián)系起來，通過顆粒細(xì)小、多孔的固相吸附劑選擇性地吸附溶液中的被測物質(zhì)，待被測物質(zhì)被定量吸附后，用體積較小的洗脫

22、液洗脫或用熱解析的方法進(jìn)行脫附，從而達(dá)到分離富集被測物質(zhì)的目的，是同時(shí)進(jìn)行萃取和濃縮的有效方法。3.2.2共沉淀法共沉淀法是在溶液中加入有機(jī)或無機(jī)共沉淀劑和適當(dāng)金屬離子，利用混合、締合或吸附混晶作用，是分析物與載體一起從共沉淀中析出而達(dá)到分離目的。3.2.3液液萃取法該方法也叫溶劑萃取，是以分配定律為原理，通過選擇適當(dāng)?shù)娜軇┳鳛檩腿┘尤氲酱蛛x的原料液中，利用原料液中各組分在溶劑中溶解度的不同，從而將混合液中各組分分離出來的一種操作。3.2.4離子交換分離法離子交換分離法是利用離子交換劑投入到溶液中，使溶液中與之相接觸的離子發(fā)生交換反應(yīng)，從而達(dá)到離子分離的目的。離子交換分離法基于的原理是固相

23、與液相之間離子的重新分配?？偨Y(jié)與展望本文介紹了納米材料的分類及其性質(zhì)，磁性功能材料的磁學(xué)性質(zhì)及表征方法和磁性納米材料的制備，重金屬離子的檢測及分離富集方法。磁性納米材料兼具納米材料的性質(zhì)，自身又具有超越納米材料的優(yōu)良性能，備受人們的關(guān)注。通過不斷深入的研究我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)今新興的磁性納米材料在可以有效地分離富集重金屬離子。重金屬離子對(duì)人類健康危害重大，因其就具有一定的潛伏性和累積性，所以在初期未達(dá)到一定的量攝人體出現(xiàn)癥狀時(shí)很難被發(fā)現(xiàn)，且重金屬可以通過食物鏈進(jìn)行累積，其危害之大不容人們忽視。磁性納米材料的出現(xiàn)為重金屬離子的檢測、分離和富集提供了可能。雖然早期已有一些重金屬離子的檢測分析技術(shù)，但磁性納米

24、材料的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了重金屬離子的痕量分析。隨著人們不斷地深入研究與探索，相信磁性納米材料還將在重金屬富集分離與檢測方面發(fā)揮出更加重要的作用。- 10 -參考文獻(xiàn)1磁性納米粒子的制備_表面功能化及應(yīng)用研究_饒通德2功能化磁性納米材料在環(huán)境樣品重金屬分析中的應(yīng)用研究_陳寅3多功能磁性納米材料的制備及應(yīng)用_聶祥坤4 Weijden RD,Heifden AE,Rosmalen GM.The influence of total calcium and total carbonate of the growth rate of calcite.Crystal Growth, 1997,171(1-2):1

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