環(huán)境科學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文對多壁碳納米管吸附性的研究

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　對多壁碳納米管吸附性的研究</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 環(huán)境科學(xué)

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p>　　對多壁碳納米管吸附性的研究</p>&

3、lt;p>　　[摘要] 水中很多微量重金屬元素或微量的有機物對人體非常有害，但常規(guī)的吸收劑很難滿足要求。碳納米管具有獨特的物理化學(xué)特性,對污染物具有優(yōu)異的吸附性能,在環(huán)保領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力,因而吸引人們對碳納米管吸附有毒污染物的行為和規(guī)律開展了大量研究.多壁碳納米管對芳香化合物、異甘草素和甘草素等有機物都有較強吸附能力，碳納米管作為一種深度的水質(zhì)技術(shù)，對水質(zhì)的處理能達到較高的處理標準。</p><p>

4、　　[關(guān)鍵詞] 多壁碳納米管；吸附；有機物</p><p>　　For multi-walled carbon nanotubes adsorption of research</p><p>　　[Abstract] The water have many trace metals or trace of organic matter, but very harmful to huma

5、n body, conventional absorber is difficult to meet the requirements. Wang Shu-guang etc found carbon nanotubes load alumina composite materials in the water fluoride ability is active carbon load ofα-Al2O3 15-25 times, i

6、s activated carbon load gamma-irradiationγ-Al2O3 3-4. The five times. Wang Shu-guang etc will also MnO2 adsorption in carbon nanotubes, can make the carbon nanotubes adsorption perfor</p><p>　　[Key words] Mu

7、lti-walled carbon nanotubes；adsorption；Aromatic compounds</p><p>　　1991年日本科學(xué)家J IMA發(fā)現(xiàn)了碳納米管(Carbon nanotube, CNT) [1]，開辟了碳科學(xué)發(fā)展的新空間。碳納米管具有機械強度高、比表面大、電導(dǎo)率高、界面效應(yīng)強等特點，以及特殊的機械、物理、化學(xué)性能，在工程材料、催化、吸附分離、儲能器件電極材料等諸多領(lǐng)域得到了廣

8、泛應(yīng)用[2]。</p><p>　　自從碳納米管被發(fā)現(xiàn)以來，便引起了人們的熱切關(guān)注。碳納米管具有較大的比表面積，還具有相當(dāng)高的比表面能，其表面活性也很高，而且具有網(wǎng)狀的微孔通道[３]，是用作吸附劑的理想材料。大量的研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管對氣體、微量重金屬元素[４－６]以及某些有機物吸附能力很強[７－１０]。</p><p><b>　　1碳納米管的結(jié)構(gòu)</b></p

9、><p>　　碳納米管中碳原子以sp2雜化為主,與相鄰的3個碳原子相連,形成六角形網(wǎng)格結(jié)構(gòu),但此六角形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定的彎曲,可形成一定的sp3雜化鍵[11].</p><p>　　單壁碳納米管( SW CNT)的直徑在零點幾納米到幾納米之間,長度可達幾十微米;多壁碳納米管(MW CNT)的直徑在幾納米到幾十納米之間,長度可達幾毫米,層與層之間保持固定的間距,與石墨的層間距相當(dāng),約為0. 1

10、34 nm[12]. 碳納米管同一層的碳管內(nèi)原子間有很強的鍵合力和極高的同軸向性,可看作是軸向具有周期性的一維晶體,其晶體結(jié)構(gòu)為密排六方,被認為是理想的一維材料[13].</p><p>　　碳納米管可看成是由石墨片層繞中心軸卷曲而成,卷曲時石墨片層中保持不變的六邊形網(wǎng)格與碳納米管軸向之間可能會出現(xiàn)夾角即螺旋角.當(dāng)螺旋角為零時,碳納米管中的網(wǎng)格不產(chǎn)生螺旋而不具有手性,稱之為鋸齒型碳納米管或扶手椅型碳納米管;當(dāng)碳納

11、米管中的網(wǎng)格產(chǎn)生螺旋現(xiàn)象而具有手性時,稱為螺旋型碳納米管. 隨著直徑與螺旋角的不同,碳納米管可表現(xiàn)出金屬性或半導(dǎo)體性[14].</p><p>　　2 多壁碳納米管對異甘草素和甘草素的選擇性吸附</p><p>　　碳納米管(CN Ts)是一種典型的納米材料，可作為藥物載體，以運輸某些難以通過細胞膜的物質(zhì)，如小分子藥物，多肽，蛋白質(zhì)，DNA，脂質(zhì)體。CN Ts和生物大分子(如蛋白質(zhì)、核酸)

12、通過吸附或偶聯(lián)反應(yīng)形成復(fù)合物，該復(fù)合物被細胞吞噬，可以表達生物大分子的生物活性。研究表明：蛋白質(zhì)或藥物2碳納米管復(fù)合物是由CN Ts的吸附形成的。該復(fù)合物被四膜蟲梨狀肌吸收后會產(chǎn)生極大地異常生物效應(yīng)，至于是嚴重抑制還是快速促進其增長則取決于載體的蛋白活性[15]。新的CN Ts材料因其獨特的細胞通透性而備受關(guān)注。</p><p>　　盡管異甘草素和甘草素結(jié)構(gòu)相似，但o-MWN Ts對其吸附存在很大程度的選擇性，其

13、對異甘草素的吸附能力強于甘草素。因具有平面結(jié)構(gòu)的多環(huán)芳香烴的共扼體系能夠與CN Ts有效地結(jié)合，形成牢固的非共價連接。而異甘草素分子具有類似環(huán)芳香烴的較大平面結(jié)構(gòu)，分子與分子之間排列緊密，且相互引力較大，更容易與o-MWN Ts內(nèi)壁、外壁產(chǎn)生比較強烈作用，通過相互之間堆積形成緊密的復(fù)合物，因此o-MWN Ts對其吸附能力較強；而甘草素空間結(jié)構(gòu)為非平面結(jié)構(gòu)，在與o-MWN Ts相互作用時具有較大的空間位阻，很難與o-MWN Ts形成較牢固

14、的非共價連接，降低了甘草素被吸附的量[16]。</p><p>　　對于CN Ts這種選擇性吸附的研究，有望更進一步了解碳納米管及其相關(guān)納米材料與其它復(fù)雜分子之間的相互作用機理，為充分利用納米材料作為藥物載體提供理論依據(jù)。利用納米材料與中藥活性成分之間的非共價作用形成的納米－中藥復(fù)合物可能成為中藥活性成分的運送載體，利用納米材料的獨特性質(zhì)形成一種獨特的藥物傳送系統(tǒng)，必將有益于中藥現(xiàn)代化的發(fā)展。</p>

15、<p>　　3 多壁碳納米管固相萃取填料對芳香化合物的吸附</p><p>　　固相萃取(SPE) 與溶劑萃取相比可以節(jié)省大量溶劑、萃取過程中不產(chǎn)生乳化、選擇性高、操作簡單、使用成本不高、集干擾消除和目標物質(zhì)富集于一體, 因而成為復(fù)雜樣品分析中最常用的樣品前處理技術(shù)。種類豐富的固相萃取填料使SPE 技術(shù)適合不同類型物質(zhì)的分離。同時, 還不斷有新的固體材料被嘗試用作固相萃取填料。</p>

16、<p>　　碳納米管是一種新型碳質(zhì)納米材料, 其中空的管狀結(jié)構(gòu)可以看作由石墨片卷曲而成, 管徑在數(shù)納米至數(shù)十納米。碳納米管的管壁可以是僅由一層碳原子構(gòu)成, 也可以是由幾層至幾十層碳原子構(gòu)成, 因而分為單壁碳納米管(SWNT)和多壁碳納米管(MWNT)。碳納米管的高比表面積使其具有較強的吸附能力, 因此被作為吸附劑用作固相萃取填料。碳納米管用于SPE 的報道還不多, 主要用于分離富集金屬離子[17]和環(huán)境污染有機物[18-20

17、],最近有報道用于生物大分子的分離[21-22]。但是, 已有研究都是著眼于碳納米管的應(yīng)用, 即將其作為SPE 吸附劑用于某類物質(zhì)的分離和富集。而且, 通常都將碳納米管的吸附作用歸因于其高的比表面積。</p><p>　　C18固定相對芳香化合物的吸附作用要比MWNT 弱。因為C18固定相吸附有機化合物是以疏水分配作用為主，由于所選溶質(zhì)具有較強親水性，所以萃取效果不佳。如果優(yōu)化和控制適合疏水分配作用的固相萃取條件

18、，C18 固定相對很多疏水性有機化合物也是具有很強的吸附作用的， 這在C18 固定相的大量應(yīng)用實例中都有體現(xiàn)。而對于不含苯環(huán)的脂肪羧酸和脂肪醇而言，MWNT 柱只存在物理吸附作用，對于親水性較強的溶質(zhì)，單靠物理吸附作用產(chǎn)生的保留很小。盡管MWNT 柱對非芳香有機化合物的吸附效果也很差(萃取率小于10%)，但在相同萃取條件下仍然好于普通C18 固相萃取柱(萃取率小于5%)，這說明源于MWNT更大的比表面積的物理吸附作用也較C18固定相要強

19、。</p><p>　　4 碳納米管表面化學(xué)改性研究進展</p><p>　　對于研發(fā)高比強度的高分子材料，以碳納米管(CNT)為增強劑的聚合物/CNT納米復(fù)合材料(PCNC)是近十幾年來全球科學(xué)家的一個研究熱點。因CNT具有獨特的力學(xué)性能，其拉伸強度可達50-200GPa，彈性模量可達1TPa，兩者均為普通鋼的幾十到上百倍。而且，CNT 也具有良好的柔韌性和回彈性，載荷卸去時可恢復(fù)原狀。

20、</p><p>　　現(xiàn)在，已制備了很多以不同高聚物為基的PCNC[23-26]，但它們的一些機械性能，實測值常遠遠低于理論預(yù)估值。例如，對某種PS/MWNT(1%)，其拉伸強度只提高25%，彈性模量只提高36%-42% [25]。這除了與CNT 在聚合物基質(zhì)中的分散性、定向程度及CNT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)外，另一個主要原因是CNT與聚合物的兩相界面間缺乏牢固的結(jié)(鍵)合，致使PCNC受力時，載荷不能有效地由強度較

21、低的聚合物轉(zhuǎn)移至強度很高的CNT(增強劑)上。</p><p>　　為了增強相界面間的結(jié)( 鍵)合，從而實現(xiàn)載荷的有效轉(zhuǎn)移，通常有兩種方法：第一種是增強由范德華力導(dǎo)致的界面連結(jié)，增強分子間的非共價鍵合，此法的優(yōu)點為保持CNT的結(jié)構(gòu)完整，也不致惡化CNT的力學(xué)性能，但其增強幅度有限；第二種是對CNT(甚至對CNT及聚合物兩者)表面化學(xué)改性(官能化)，即往CNT中引入具有反應(yīng)性的官能團，然后可通過官能團的反應(yīng)，使兩相

22、界面間產(chǎn)生共價鍵合，這種方法可實現(xiàn)界面間的較牢固的鍵合，很有助于載荷轉(zhuǎn)移。但此法可能會有損CNT的結(jié)構(gòu)，造成CNT表面的缺陷，降低CNT的長徑比，惡化CNT的機械強度，同時負面影響CNT的剛性和韌性，并有可能使PCNC的導(dǎo)電性及加工性下降[26]。不過，這仍然是研究者正在研究的提高PCNC機械強度的一個重要技術(shù)途徑。</p><p>　　5 多壁碳納米管在未來的發(fā)展與應(yīng)用</p><p>

23、　　碳納米管的獨特結(jié)構(gòu)決定了它具有許多特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)。組成碳納米管的 C=C 共價鍵是自然界最穩(wěn)定的化學(xué)鍵，所以使得碳納米管具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能。理論計算表明，碳納米管具有極高的強度和極大的韌性。其理論值估計楊氏模量可達 5TPa，強度約為鋼的 100 倍，而重量密度卻只有鋼的 1/6。Treacy 等首次利用了 TEM 測量了溫度從室溫到 800 度變化范圍內(nèi)多壁碳納米管的均方振幅，從而推導(dǎo)出多壁碳納米管的平均楊氏模量約為 1

24、.8Tpa。而 Salvetat 等測量了小直徑的單壁碳納米管的楊氏模量，并導(dǎo)出其剪切模量為 1Tpa。Wong 等用原子力顯微鏡測量多壁碳納米管的彎曲強度平均值為 14.2±10.8GPa，而碳纖維的彎曲強度卻僅有 1GPa。碳納米管無論是強度還是韌性，都遠遠優(yōu)于任何纖維，被認為是未來的“超級纖維”。</p><p>　　人們預(yù)言碳納米管可能成為一種新型的高強度碳纖維材料，既具有碳素材料的固有本性，又

25、具有金屬材料的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性，陶瓷材料的耐熱和耐腐蝕性，紡織纖維的可編織性，以及高分子材料的輕質(zhì)、易加工性。將碳納米管作為復(fù)合材料增強體，預(yù)計可表現(xiàn)出良好的強度、彈性、抗疲勞性及各向同性，可以預(yù)期碳納米管增強復(fù)合材料可能帶來復(fù)合材料性能的一次飛躍。用納米管制作復(fù)合材料的研究首先是在金屬基上進行的，如：Fe/碳納米管、Al/碳納米管、Ni/碳納米管、Cu/碳納米管等。</p><p>　　近年來，碳納米管復(fù)合材料的研

26、究重心已轉(zhuǎn)到高分子/碳納米管復(fù)合材料方面，如在輕質(zhì)高強度的材料中，使用碳纖維作為增強材料，碳納米管的機械性能及其小的直徑和大的長徑比將會帶來更好的增強效果。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] IIJ IMA S．Helical microtubules of graphitic carbon [ J ]．Nature，1991，

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