納米多孔ZnO的制備及吸附性能研究

王 瓊，馮菊紅，胡學雷

(1.武漢工程大學化工與制藥學院，湖北 武漢 430074；2.綠色化工過程教育部重點實驗室，湖北 武漢 430074)

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納米多孔ZnO的制備及吸附性能研究

王 瓊1,2，馮菊紅1,2，胡學雷1,2

(1.武漢工程大學化工與制藥學院，湖北 武漢 430074；2.綠色化工過程教育部重點實驗室，湖北 武漢 430074)

以硝酸鋅和尿素為原料，采用水熱法制備納米多孔ZnO。通過X-射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)對所制備的納米多孔ZnO進行成分和形貌表征，并將其用于吸附處理亞甲基藍(MB)模擬工業染料廢水，考察了溶液pH值、納米多孔ZnO用量、MB溶液初始濃度對吸附效果的影響。結果表明：納米多孔ZnO對MB有著較好的吸附能力；在室溫20 ℃下，0.10 g的納米多孔ZnO對100 mL初始濃度為10 mg·L-1、pH值為12的MB溶液的吸附率達92.10 %、平衡吸附量達9.21 mg·g-1。

納米多孔ZnO；水熱法；亞甲基藍；吸附

染料廢水因具有成分復雜、色度較深、難以降解、有毒等特點，成為工業廢水處理的重難點[1-3]。而亞甲基藍屬于水溶性偶氮染料，是染料廢水的代表性化合物[4]。目前，染料廢水的處理方法主要有：光催化降解法[5]、臭氧處理法[6]、絮凝沉淀法[7]、膜過濾法[8]、生物處理法[9]和吸附法[10]等。其中吸附法具有效率高、成本低、操作簡單且不會引入新的污染物等優點，在處理染料廢水中應用非常廣泛[11-12]。

納米材料密度低、比表面積大、光學性質獨特，可用于環境領域的吸附研究[13]。而納米多孔ZnO具有比表面積大、表面活性位點多等優點，在光催化、氣敏性能、發光性能等方面的應用研究已有系統報道[14-16]，但其吸附性能卻鮮有報道。作者采用水熱法制備了納米多孔ZnO，以亞甲基藍(MB)模擬工業染料廢水，研究了納米多孔ZnO吸附MB的性能，討論了溶液pH值、納米多孔ZnO用量和MB溶液初始濃度等因素對吸附效果的影響。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

硝酸鋅、尿素(分析純)，西隴化工；去離子水，自制；亞甲基藍、氫氧化鈉、鹽酸、無水乙醇(分析純)，國藥集團。

XRD-6100型X-射線衍射儀，北京；JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡，日本；DZF-6021型真空干燥箱，上海；KSL-1700X-A4型馬弗爐，合肥；ISO9001型分析天平、高速冷凍離心機，鄭州；瑪瑙研缽(140 mm)，阜新；紫外可見光譜儀，日本島津。

1.2 方法

1.2.1 納米多孔ZnO的制備[17-18]

稱取硝酸鋅、尿素溶于去離子水中，攪拌均勻至溶液無色透明，轉入100 mL水熱釜中，120 ℃反應6 h

后隨爐自然冷卻，用去離子水和無水乙醇洗滌數次，得到白色前驅體，在60 ℃烘箱中干燥4 h，研磨均勻，在600 ℃馬弗爐中煅燒2 h，得到納米多孔ZnO。

1.2.2 吸附實驗

取一定量的納米多孔ZnO于燒杯中，加入100 mL一定濃度、一定pH值的MB溶液，在室溫20 ℃下攪拌，每隔一定時間取樣，離心分離，取上清液，用紫外分光光度法測定溶液吸光度，納米多孔ZnO對MB的吸附率(η)和吸附量(q)分別按式(1)和式(2)計算：

(1)

(2)

式中：c0為MB溶液的初始濃度，mg·L-1；ce為達到吸附平衡時MB溶液的濃度，mg·L-1；V為MB溶液的體積，L；m為納米多孔ZnO的用量，g。

2 結果與討論

2.1 納米多孔ZnO的微觀結構分析(圖1)

圖1 ZnO的XRD圖譜(a)和SEM照片(b)Fig.1 XRD pattern(a) and SEM image(b) of ZnO

由圖1a可知，在晶面(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(112)和(201)處的特征峰均與ZnO的標準圖譜一致，結晶度高且無雜質峰存在，表明所制備的樣品為ZnO。由圖1b可知，所制備的ZnO呈多孔片狀，且為納米級。

2.2 溶液pH值對吸附效果的影響(圖2)

由圖2可知，當溶液pH<6時，納米多孔ZnO對MB的吸附率僅為19.02%；當溶液pH>6時，納米多孔ZnO對MB的吸附率顯著提高；當溶液pH值為12時，吸附率達到最大值92.10%。這是因為，在堿性條件下，納米多孔ZnO表面的負電荷增多，使納米多孔ZnO更容易吸附MB陽離子。因此，后續實驗選擇溶液pH值為12。

圖2 pH值對吸附效果的影響Fig.2 Effect of pH value on adsorption efficiency

2.3 納米多孔ZnO用量對吸附效果的影響(圖3)

圖3 納米多孔ZnO用量對吸附效果的影響Fig.3 Effect of nanoporous ZnO dosage on adsorption efficiency

由圖3可知，隨著納米多孔ZnO用量的增加，其對MB的吸附率逐漸升高，平衡吸附量逐漸降低；當納米多孔ZnO用量由0.05 g增加至0.10 g時，其吸附率由80.05%迅速升至92.10%，其平衡吸附量由16.01 mg·g-1降為9.21 mg·g-1；當納米多孔ZnO用量繼續增加時，納米多孔ZnO對MB的吸附率升幅減緩，但其平衡吸附量卻繼續降低。因此，選擇最佳納米多孔ZnO用量為0.10 g。

2.4 MB溶液初始濃度對吸附效果的影響(圖4)

圖4 MB溶液初始濃度對吸附效果的影響Fig.4 Effect of initial concentration of MB solution on adsorption efficiency

由圖4可知，MB溶液初始濃度由10 mg·L-1增大至50 mg·L-1時，納米多孔ZnO對MB的吸附率由92.10%降低到51.64%，其平衡吸附量由9.21 mg·g-1升高到25.82 mg·g-1。這是因為，隨著MB溶液初始濃度的增大，納米多孔ZnO表面的活性位點逐漸達到飽和狀態，過量的MB分子處于游離狀態，無法吸附在納米多孔ZnO表面，從而使吸附率降低。而平衡吸附量與MB溶液初始濃度有關，隨著初始濃度的增大，平衡吸附量也隨之升高。綜合以上因素，在室溫20 ℃條件下，0.10 g納米多孔ZnO對100 mL初始濃度為10 mg·L-1、pH值為12的MB溶液吸附率達92.10%、平衡吸附量為9.21 mg·g-1。

3 結論

以硝酸鋅和尿素為原料，采用水熱法制備了納米多孔ZnO，研究了其對MB的吸附性能。結果表明，在室溫20 ℃、MB溶液初始濃度10 mg·L-1、溶液pH值12的條件下，0.10 g納米多孔ZnO對100 mL MB溶液的吸附率為92.10%、平衡吸附量為9.21 mg·g-1。納米多孔ZnO在吸附偶氮類染料廢水方面具有廣闊的應用前景，本研究為實際工業廢水處理提供了參考。

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Preparation of Nanoporous ZnO and Its Adsorption Property

WANG Qiong1,2，FENG Ju-hong1,2，HU Xue-lei1,2

(1.SchoolofChemicalEngineeringandPharmacy，WuhanInstituteofTechnology，Wuhan430074，China；2.KeyLaboratoryofGreenChemicalProcessofMinistryofEducation，Wuhan430074，China)

Using zinc nitrate and carbamide as raw materials，nanoporous ZnO was prepared by a hydrothermal method.The composition and morphology of nanoporous ZnO were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy(SEM)，respectively.Nanoporous ZnO was used to adsorb methylene blue(MB) stimulated industrial dye wastewater.The effects of pH value，nanoporous ZnO dosage and initial concentration of MB solution on adsorption efficiency were discussed.The results indicated that，nanoporous ZnO had good adsorption capacity to MB.Under the conditions as follows: room temperature of 20 ℃，MB initial concentration of 10 mg·L-1，MB solution volume of 100 mL，pH value of 12，and nanoporous ZnO dosage of 0.10 g，the MB removal rate reached 92.10%，and the equilibrium adsorption capacity reached 9.21 mg·g-1.

nanoporous ZnO；hydrothermal method；methylene blue；adsorption

武漢工程大學研究生創新基金項目(CX2015080)

2016-12-19

王瓊(1992-)，女，湖北仙桃人，碩士研究生，研究方向：功能材料，E-mail:witwq92@163.com；通訊作者：馮菊紅，博士，講師，E-mail:jhfeng@wit.edu.cn。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.05.008

O614.241

A

1672-5425(2017)05-0037-03

王瓊，馮菊紅，胡學雷.納米多孔ZnO的制備及吸附性能研究[J].化學與生物工程，2017，34(5)：37-39，49.