纳米二氧化硅的制备、表征及对废水中染料吸附
1实验目的
1 掌握纳米材料二氧化硅的制备方法 2学习纳米材料的分析测试手段 3 了解废水处理的方法
2实验原理
纳米二氧化硅是极其重要的高科技超微细无机新材料之一,因其粒径很小，比表面积大，表面吸附力强，表面能大，化学纯度高、分散性能好、热阻、电阻等方面具有特异的性能，由于它在磁性、催化性、光吸收、热阻和熔点等方面与常规材料相比显示出特异功能，可用于橡胶、化纤、塑料、油墨、催化剂、造纸、涂料、精密陶瓷等行业。近两年来，有研究人员采用纳米二氧化硅作为吸附剂，针对不同污染物进行吸附过程及机制的研究。
纳米二氧化硅制备方法如下：
通常条件下, 硅酸钠与盐酸反应生成硅酸沉淀, 即:
Na2SiO3 + 2HCl+ H2O＝H4SiO4 + NaCl
另外, 硅酸单体之间也进行缩聚反应:
同时硅酸单体本身的脱水反应也很快:
因此能迅速形成许多相对致密的SiO2 胶体颗粒, 经过过滤、洗涤、干燥和高温灼烧得到纳米二氧化硅。
纳米二氧化硅有很多孔结构，具有比较大的比表面积，且表面有丰富羟基，能够吸附很多物质，如废水中的有机物等。
3 实验试剂和仪器
吐温80；硅酸钠(Na2O·xSiO2)，模数3100，郑州泡花碱厂；盐酸(HCl)，CP，上海化学试剂总厂；AgNO3，CP，天津化学试剂厂；亚甲基蓝粉末，商用载体SiO2，青岛海洋化工厂。
集热式磁力搅拌器；干燥箱：101-2型, 无锡干燥设备厂；马弗炉；UV-2450可见光分光光度计；透射电子显微镜（TECNAI G0）；Brukers D8型X-射线粉末衍射仪(CuKα靶)。
4 实验内容
4.1纳米二氧化硅的制备
将浓度为1mol/L 盐酸20ml加入500ml的烧杯中，滴加表面活性剂（吐温80）20滴，加入搅拌磁子，水浴加热至50～60℃，滴加入质量分数为20%的硅酸钠溶液，随着硅酸钠溶液的不断加入，溶液逐渐变混浊，当pH=5时（用pH试纸检验），溶液变成白色悬浮液；盐酸与Na2O·x SiO2的反应如下:
Na2O·x SiO2+nH2O+2 HCl= 2NaCl+xSiO2·(n+2)H2O
沉淀静置老化后，抽滤，用蒸馏水反复洗涤沉淀，并用质量浓度为15%的AgNO3溶液检测洗液中的Cl-，至溶液中无AgCl白色沉淀为止, 常压80℃烘箱干燥。所得产品在马弗炉中400℃高温灼烧。可得多孔纳米二氧化硅粉末，于研钵中研磨
成细末备用。
4.2纳米二氧化硅的分析与表征 4.1.1纳米二氧化硅的TEM表征
透射电子显微镜主要包括照明系统、成像系统和观察、照相室。它主要是通过材料内部对电子的散射和干射作用成像。利用TEM可观察一维孔道的排列、孔径的变化以及一维孔道的长程结构；而且透射电子显微镜可用来观察自组装前后多孔材料的形态变化，并直观地了解多孔结构材料孔道中纳米微粒的尺寸、形态及分布特征，并用统计平均方法计算粒径；而HRTEM是研究局部和缺陷结构的一种有力的分析工具。
TEM测试在 FEI Tecnai G2 20型电镜上进行，操作电压为120 kV。样品是将数滴用无水乙醇洗涤3次并分散于无水乙醇中的二氧化硅纳米颗粒滴至镀有碳膜的铜网上，自然晾干所得。 4.1.2纳米二氧化硅的XRD表征
X射线是一种具有波动和粒子二重性的物质。当它入射到一个物质上，一部分被原子吸收，产生光电效应；一部分将能量传递给原子，成为热振动能量；另一部分被原子散射。而晶体的X射线衍射现象的产生主要是由于晶体中的原子具有周期性的有序排列，因此晶体中各原子产生的相干散射波相互叠加而形成。在多孔材料中，XRD表征方法是利用衍射的位置与Bragg方程(晶面间距d=nλ/sinθ)决定晶胞的形状和大小以及晶格常数等。XRD测试可提供材料晶体结构的直接信息。但仅靠X-射线衍射的测试结果还不能定量分析材料的纯度，必需与其它表征手段结合分析。
XRD测试在Bruker D8型X-射线衍射仪上进行。Cu靶Kα射线，电流50 mA，电压40 kV。X-射线衍射仪上步长为0.02，每步时间为4秒。 4.2纳米二氧化硅的吸附性能测试 4.2.1工作曲线法的绘制
用移液管分别取0.20，0.40，0.6 0，0.8，1.00 mL的0.05mol∙L-1亚甲基蓝溶液，分别放入5个50ml容量瓶中，并用纯水稀释至刻度，混合均匀后，用1cm比色皿，在λ=630nm的条件下，用722E型分光分度计测定吸光度。作吸光度A -亚甲基蓝浓度图（用坐标纸作图）。
表 1
容量瓶编号 亚甲基蓝溶液的体积（mL） 亚甲基蓝溶液的浓度（mol∙L-1） 吸光度A
4.2.1工作曲线法的绘制
称取1.0g 二氧化硅纳米颗粒放入250ml烧杯中，加入25ml1.0×10亚甲基蓝溶液，搅拌30分钟后，常压过滤亚甲基蓝溶液，测定得到亚甲基蓝溶液的吸光度，计算每克二氧化硅纳米颗粒吸附亚甲基蓝(分子量373.90g/mol )的摩尔数。
-3
1 0.20 2 0.40 3 0.60 4 0.8 5 1.00 2.0×10-5 4.0×10-5 6.0×10-5 8.0×10-5 1.0×10-4
5 实验数据与结果（下面是范例）
5.1纳米二氧化硅的TEM表征结果
图1 SiO2粉末的TEM图
图1为用透射电镜测定所得样品的结果，电镜图片显示所得多孔二氧化硅纳米颗粒呈有部分粘连现象，粒度分布不均匀。但颗粒直径均在0-100nm内，属纳米级零维材料。
5.2纳米二氧化硅的XRD表征结果
图2制得SiO2样品的XRD图谱
图2中曲线为400℃马弗炉灼烧制得多孔SiO2的XRD图谱，从图中可以看出，试样粒子场在2θ为20°-25°间的低衍射角区出现较宽的衍射峰，为非晶衍射峰，灼烧的样品得到比较宽的峰宽。随后衍射峰逐渐减弱平滑，略有波动。波峰随温度升高往角度减小的方向移动，在低角度区域未发现有预示孔洞分布规则的谱峰，说明孔的分布是无规则的，未形成有规则的晶格，所得SiO2样品为无定形。
5.3纳米二氧化硅的吸附性能
