介电泳技术在水体镉离子去除和碳纳米管气体传感器制备中的应用研究

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介电泳(Dielectrophoresis,DEP)是介电常数较低的物体在非均匀电场中受力的现象,介电泳技术已被人们用于环保、矿产、生物等领域来分离、富集、捕获微粒和细胞。本文采用介电泳技术研究了废水中重金属粒子的去除和大气有害气体的检测,即介电泳技术与吸附法结合去除废水中Cd2+的研究和介电泳操控下碳纳米管气体传感器对SO2、NH3的响应研究。在介电泳技术与吸附法结合去除废水中Cd2+的研究中,采用生物陶、山茶籽粉、本征多壁碳纳米管及基团修饰多壁碳纳米管等材料为吸附剂,在相同吸附条件下,研究了不同吸附剂对水中Cd2+的吸附去除效果,研究发现生物陶对水中Cd2+的吸附去除效果最佳,因此生物陶被确定为最佳吸附剂。在生物陶上详尽研究了生物陶投加量、溶液pH值、溶液温度等因素对水体中Cd2+的吸附容量和去除率的影响,结果表明,当溶液温度293.15 K、生物陶投加量1 g·L-1、溶液pH值5.5、吸附时间24 h时,生物陶对水中Cd2+的去除率最高为95.30%;然而,采用吸附-介电泳技术处理水中Cd2+,研究了介电泳电压、吸附时间、不锈钢丝网电极目数、池内停留时间对溶液中Cd2+去除率的影响发现,当介电泳电压8 V、吸附时间12h、不锈钢丝网电极目数100目、池内停留时间30 min时,废水中Cd2+的去除率高达99.27%,与相同条件下生物陶单纯吸附Cd2+去除率(36.01%)相比,吸附-介电泳法对Cd2+的去除率提高了63.73%,而吸附时间却从24 h缩短到12 h,可见介电泳法与吸附法结合能够有效提高废水中Cd2+的去除率,同时还能缩短吸附时间。在介电泳操控多壁碳纳米管气体传感器对二氧化硫(SO2)和氨气(NH3)的响应的研究中,利用介电泳法在铬—银—金微电极上制备了本征多壁碳纳米管(MWNTs)气体传感器及不同基团修饰多壁碳纳米管(MWNTs-x,x:NH2,OH,COOH)气体传感器,考察了MWNTs和MWNTs-x在非均匀电场中的介电响应行为,将8V、2MHz的电泳参数确定为多壁碳纳米管气体传感器的制备条件。在介电泳力作用下MWNTs和MWNTs-x的颗粒均被捕获到电极尖端,发生了正介电泳(p-DEP)。室温下研究了制备的气体传感器对不同浓度SO2、NH3的气敏性能,研究发现传感器对SO2、NH3的响应时间、恢复时间和灵敏度随气体浓度的增加而增大,不同基团修饰MWNTs气体传感器对SO2的灵敏度较本征MWNTs传感器的灵敏度显著提高,氨基修饰MWNTs(MWNTs-NH2)气体传感器的灵敏度最高,为本征MWNTs气体传感器的1723倍,碳纳米管与SO2间的毛细力、表面张力、氢键、化学键等相互作用为影响传感器气敏性能的主要因素。
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