本文關(guān)鍵詞：粒徑和形貌對納米顆粒吸附熱力學(xué)和動力學(xué)的影響

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【摘要】：與相應(yīng)的塊狀材料相比,納米顆粒具有優(yōu)異的吸附性能,現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域,這些性能決定于其吸附熱力學(xué)和吸附動力學(xué),而吸附熱力學(xué)和吸附動力學(xué)決定于納米顆粒的粒徑和形貌。然而,粒徑和形貌對納米顆粒吸附熱力學(xué)和動力學(xué)的影響規(guī)律和機理還不是很清楚。本文在理論和實驗上研究了納米顆粒的粒徑和形貌對納米吸附熱力學(xué)和動力學(xué)的影響規(guī)律:(1)納米吸附的理論研究在熱力學(xué)上,把納米吸附的過程看成是一個反應(yīng),通過定義納米吸附劑和吸附產(chǎn)物的化學(xué)勢,得到了不同形貌納米顆粒的吸附平衡常數(shù)和吸附熱力學(xué)性質(zhì)分別與粒徑之間的關(guān)系,并且討論了粒徑對吸附平衡常數(shù)和吸附熱力學(xué)性質(zhì)的影響機理和影響規(guī)律。在動力學(xué)上,通過假定化學(xué)反應(yīng)的過渡態(tài)理論適用于納米吸附過程,且粒徑對過渡態(tài)沒有影響,推導(dǎo)了吸附動力學(xué)參數(shù)分別與粒徑之間的關(guān)系,并且討論了粒徑對動力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律。(2)納米吸附的實驗研究在實驗上,用水熱法制備了不同形貌(球形、立方和八面體)的不同粒徑的納米CeO_2。然后,以納米CeO_2對甲基橙和鹽基品紅的吸附為研究體系,研究了形貌和粒徑對納米CeO_2吸附甲基橙和鹽基品紅的熱力學(xué)和動力學(xué)的影響規(guī)律。通過理論和實驗研究,得出如下結(jié)論:制備納米CeO_2的規(guī)律:采用了水熱法,以Ce(NO_3)_3·6H_2O為鈰源,NH_3·H_2O、NaOH和Na_3PO_4·12H_2O為沉淀劑制備了球形、立方和八面體的納米CeO_2。然后分別控制實驗條件,制備出了不同粒徑的球形、立方和八面體的納米CeO_2。在制備的過程中,發(fā)現(xiàn)加入鈰鹽的濃度、沉淀劑的濃度、水熱溫度、表面活性劑和焙燒溫度對納米顆粒的粒徑和形貌有不同程度的影響,其中對納米CeO_2形貌影響的因素中最大的是水熱溫度,對納米CeO_2粒徑影響最大的因素是焙燒溫度。形貌和粒徑對吸附熱力學(xué)的影響規(guī)律:球形納米CeO_2對甲基橙的吸附效果較好,而立方和八面體納米CeO_2對甲基橙幾乎不吸附;不同形貌的納米CeO_2對鹽基品紅都有很好的吸附效果;納米CeO_2的粒徑對甲基橙和鹽基品紅的吸附熱力學(xué)性質(zhì)均有顯著的影響;隨著納米CeO_2粒徑的減小,吸附標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)oK-增大,標(biāo)準(zhǔn)摩爾吸附吉布斯自由能oads mG-(35)、標(biāo)準(zhǔn)摩爾吸附焓oads mH-(35)和標(biāo)準(zhǔn)摩爾吸附熵oads mS-(35)均降低;并且標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)的對數(shù)oln K-、oads mG-(35)、oads mH-(35)和oads mS-(35)均與其粒徑的倒數(shù)呈一定的線性關(guān)系;對于相同粒徑不同形貌的納米CeO_2吸附鹽基品紅的熱力學(xué)性質(zhì)的大小由納米顆粒表面積和納米顆粒對吸附質(zhì)吸附力的大小共同決定。這些實驗結(jié)果與上述納米吸附熱力學(xué)理論分析一致。其影響機理是:吸附吉布斯自由能由摩爾表面積和吸附前后表面張力的差值決定,吸附熵由摩爾表面積和表面張力的溫度系數(shù)的差值決定,吸附焓由摩爾表面積、吸附前后表面張力的差值和吸附前后表面張力的溫度系數(shù)的差值共同決定。形貌和粒徑對吸附動力學(xué)的影響規(guī)律:納米CeO_2的粒徑對甲基橙的吸附動力學(xué)參數(shù)均有顯著的影響;隨著粒徑減小,吸附速率常數(shù)k增大,而吸附活化能Ea和吸附指前因子A均減小;并且lnk、Ea、ln A均分別與粒徑的倒數(shù)呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。這些實驗結(jié)果與上述納米吸附動力學(xué)理論分析一致。其影響機理是:吸附活化能和指前因子分別由偏摩爾表面焓和偏摩爾表面熵影響,吸附速率常數(shù)由偏摩爾表面焓和偏摩爾表面熵共同影響。本文建立的納米吸附理論,闡明了粒徑對納米吸附熱力學(xué)性質(zhì)和動力學(xué)參數(shù)的影響機理和實質(zhì),能夠定量地描述納米顆粒的吸附行為。納米吸附理論對于解決納米顆粒在催化、污水處理和空氣凈化等領(lǐng)域涉及到的吸附問題有重要的指導(dǎo)意義和廣泛的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O647.3

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本文編號：1299398