吸附剂应用于环境治理

吸附剂应用于环境治理（精选五篇）

吸附剂应用于环境治理 篇1

一、汽车空调能耗与发动机功率调研

为了获取不同车型的空调负荷参数, 除通过利用各大汽车厂商网络资源对主要产品数据进行查询外, 本文对郑州市西流湖货运市场的部分货运车辆的驾驶室进行了实际测量, 并对驾驶人员进行了一定的访问调研。

本文按照建筑物空调负荷计算方法来计算车辆空调负荷, 将空调的功率和汽车发动机功率按满载情况下的人均计算, 结果见表1。

由表1可见, 由于大型客车主要用于人员输运, 虽然发动机总功率和空调总负荷最大, 但人均负荷最小;对于装载机和挖掘机, 虽然空调总负荷的绝对值较小, 但因为其乘员人数少, 所以人均负荷最大, 但同时人均发动机功率也最大。

二、内燃机余热驱动余热空调可行性分析

研究表明, 车用内燃机的使用效率只有35%到40%, 即发动机消耗掉的燃油当中只有不足一半用于做功, 在车用内燃机工作时其消耗燃油所产生的热量中60%以上被排放到周围环境当中。内燃机排放的尾气中可利用热量大概为发动机输出功率的50%左右, 而被冷却水带走的热量可全部利用, 考虑换热器效率及热损失问题, 可以利用的部分按发动机功率的80%计算。若按余热空调的COP为0.2计算, 可得到余热空调的制冷功率。从统计结果来看, 除大型客车外, 利用汽车尾气余热制冷可基本满足车辆空调用冷所需。

三、经济性分析

通过对部分利用内燃机余热的吸附式制冷装置的主要参数数据统计分析, 结果表明化学吸附优于物理吸附。

由于吸附式制冷系统和机械压缩式系统都要用到蒸发器和冷凝器, 故假定两者的蒸发器和冷凝器重量一致, 则除大型客车外其余车辆使用吸附制冷空调可能节约的燃油数量如表2所示。

百公里油耗按0.6L/100Kg载重量

由表2可见, 以百公里耗油量为指标时, 当采用化学吸附工质对的时候, 吸附制冷空调的重量普遍较轻, 与机械压缩机的重量接近, 其耗油量将明显小于驱动机械压缩式空调所需的油耗;而当采用物理吸附工质对时, 就目前吸附制冷研究的水平来看, 与机械压缩式相比并无明显优势, 其仅仅适用于装载机、挖掘机和小型卡车等空调负荷小的车辆上。以5KW的冷负荷为基准, 如要达到省油50%以上时吸附制冷工质对的SCP不小于200W/Kg吸附剂。

综合上述分析, 由于氨具有一定毒性, 因而氨很少用于空调系统。当使用物理吸附工质对时, 由于其SCP较小, 吸附制冷系统的经济性并不好, 如能在今后研究中将物理吸附制冷系统的SCP提高到200W/Kg吸附剂, 则物理吸附制冷系统也能满足经济性要求。

四、吸附剂可靠性分析

吸附剂的长期可靠性分析主要包括两个方面:吸附剂本身各项性能的保持以及吸附剂与吸附床壁面间的接触热阻。

吸附剂在长期工作过程中除了其吸附性能衰减外, 其在应用过程中的强度问题也是一个重要问题。当吸附制冷系统应用于车辆等交通工具时, 吸附制冷系统经常处于颠簸状态。如果吸附剂以散装形式充填在吸附床内, 虽然颠簸震动不会减少吸附剂的接触热阻, 但颗粒状的吸附剂在颠簸状态下很容易出现破碎、磨损的现象, 不仅造成吸附制冷系统性能下降, 还会带来一定的不安全因素。

为减少吸附剂与金属壁面间的接触热阻, 目前多将吸附剂固化成与吸附床壁面形状一致的形状, 而后通过机械力压紧后使用, 或在成型时通过一定的预应力使吸附剂与金属换热壁面紧密接触, 或在吸附床金属换热表面上直接生成吸附剂。

五、吸附床可靠性分析

吸附制冷系统中, 吸附床作为承载吸附剂的重要部件, 其可靠性直接影响到系统的可靠性。采用物理吸附工质对闭式吸附制冷系统的真空密闭性要求较高, 实践证明在正压系统下微不足道的漏点都会造成闭式真空系统的失效。目前, 吸附制冷系统中大多数吸附床采用固定管板的管壳式换热器形式, 由于吸附床在工作过程中周期性的冷热交替, 吸附床的管与壳、管与板间的热胀冷缩不一致, 很容易在管板连接处因疲劳而出现破坏, 制冷工质与单元管材料在真空下发生反应, 产生不凝性气体。

六、结论

本文通过实际调研、调查和计算对目前吸附制冷系统应用于车辆上的一些问题进行了分析。虽然内燃机余热足以提供必须驱动, 但要实现吸附制冷系统应用于车用空调在经济性和可靠性上还存在很多不足, 今后研究的着重点有以下几个方面。

1. 开发高效吸附剂。

吸附剂作为吸附制冷系统的核心, 其性能直接影响吸附制冷系统的整体性能。新的吸附剂要求吸附速度快、吸附量大、导热系数较高且能够比较方便的成型。

2. 开发新型的吸附剂与吸附床间的结合方法以减少接触热阻和固定吸附剂。

新型结合方法要能保证在颠簸状态下维持吸附剂的位置以及吸附剂与金属壁面间的接触热阻。

吸附剂应用于环境治理 篇2

21世纪以来，随着社会经济的发展，大规模的城市改革对人类的居住环境也相对造成了影响，因此，环境艺术设计就变得至关重要。随着现代社会经济发展日渐加快，生态性在城市环境艺术设计中已经成为必然的发展趋势。只有认识生态性在环境设计中的重要意义，才能尽可能的去改善目前的生态环境，体现人们对大自然的尊重。

生态性城市环境艺术设计综述

1.城市环境艺术设计的定义

根据环境艺术本身的特性，环境艺术设计涉及到环境、艺术、设计三个不同概念的综合体，相互之间有着一定的关联却又独立存在。广义上来讲，城市环境艺术是指在保护生态环境的基础上将它艺术化的工作，而狭义上讲，城市环境艺术是环境中每个艺术作品环境化的设计。环境艺术设计是通过环境的承载力、光学条件等因素，本着不破坏第一环境，也就是大自然的基础上，进行环境的艺术设计。

2.环境艺术设计理念

城市环境艺术设计以艺术为基本框架，而建筑是环境艺术的主要体现者。

对于环境而言，建筑需要处理自身和大自然之间的关系，通过把建筑师的侧重功能和环境艺术家的审美完整的结合统一，从而做到一次成功的环境艺术。一切建筑都是基于人与自然的分离和隔绝来保护人类，使人类有居住的环境与条件，而人造环境都意味着对生态环境的破坏和影响，而环境艺术正是要在这种改善和破坏中，尽可能的保护人与自然的和谐。

3.生态设计在环境艺术中的意义

环境艺术设计包含外部环境设计与空间环境设计，而生态理念在环境艺术中的作用是保证外部环境与人类生活之间的和谐性，针对空间环境的设计，能够保证人类生活的正常运行，有健康的生活质量，达到合理的资源利用。所谓生态设计就是在环境艺术基础建设上，更深层次的研究，这种新概念的产生，是以生态环境的健康、文化不遭到破坏以及生态环境持续恶化下去为目标，不断改善及创新原有的生态设计规划，取得最完善的环境艺术效果。生态设计以绿色生态效果为主要目标，在环境艺术设计中坚持创造完善可持续发展的特性，是社会经济发展最主要的推动力量。

生态设计理念

生态设计具有自然性的特点，它能合理的利用资源，为人类创造更好的生存环境。而环境艺术中的生态设计，也具有独特的基本特征，生态设计是在一个自然环境的空间里，各种生物互相影响互相牵制的环境艺术设计，设计师需要根据生态设计的特性，在遵循自然的基础上，将之艺术化，形成一个环保健康的环境空间。

1.生态设计之自然性

自然性是生态设计中的基础条件，它的自身特点也较为鲜明，能够最大限度的适应社会发展与人类生活带来的影响，不受任何事物的牵制。如果设计者追求的是精心雕刻，精致而虚实的环境艺术，那么就偏离了生态设计的本质。环境艺术追求的是人类与自然之间的和谐、舒适的美。

2.生态设计之艺术性

对于设计者来说，追求艺术性的美感是必然的，设计者应根据生态设计理念及生态环境的特征和条件，设计出可以代表它本身意义的环境艺术，这样的作品是一种遵循自然的美，具有强大的艺术感染力。

生态设计在环境艺术中的应用

1.注重环保设计

城市环境艺术设计的过程中，要坚持环保设计的理念，这样不仅能为人们带来舒适的生活环境氛围，还有利于促进环境艺术设计的提升。当今社会，生态设计理念越发受到人们重视，环境艺术设计的生态理念已经成为一种必然的发展趋势，这是每个设计工作者都应该关注的重点。因此要将环保设计落实到设计工作中，促进能源有效利用，节约资源，改善生态环境，推动周围环境及社会经济的持续发展。将节能和环保作为环境艺术设计的追求和目标，尽可能的降低对环境的影响破坏。

2.运用天然材料

落实生态设计的重点之一，就是材料的选择，在环境艺术的基础上，实现对天然材料资源的有效利用。因此，设计者应扩展自己的知识面，全面的了解各种天然材料的特性、造型及用途等，从而根据设计需要合理的加以利用。例如带有清新香味的绿植可以大量的种植用来绿化城市环境，既不会破坏生态环境又让人们的生活环境更加舒适。因此，环境艺术设计过程中要合理利用天然材料，落实生态设计这个主要目标。

保持生态平衡

生态设计理念要求保持生态的平衡，尽量降低对周围生态环境的影响破坏，保持自然生物物种多样性，促进资源有效利用。工业及社会发展不可避免的给环境造成了一定的破坏，环境艺术设计时要充分考虑这些问题，采取有效的解决措施和设计手段。对遭到破坏的环境有意识的恢复和弥补，例如垃圾场等废弃的地方可以通过种植绿化等方法，让这些遭受破坏的环境恢复原有的样貌，保持生态平衡，完善生态系统，为人类营造健康舒适的生态环境。

结语

环境艺术设计中生态理念的应用对环境的保护起着重要作用，并且已经成为人们关注的重点问题，它尊重自然，贴近自然，促进了人与自然的和谐关系。设计者在对艺术设计的追求上，同时遵循生态性，减少对生态的破坏，为人们创造一个美好家园。

（作者单位：武汉大学 城市设计学院）

吸附剂应用于环境治理 篇3

1 实验部分

1.1 材料与试剂

聚丙烯腈 (PAN, 粉末, Mw=3.0×104-5.0×104) , 美国诚信集团有限公司;N-N二甲基甲酰胺 (DMF) 、盐酸羟胺 (NH2OH·HCl) 、氯化高铁 (FeCl3·6H2O) 、二水合氯化铜 (CuCl2·2H2O) 、硝酸 (HNO3) , 均为分析纯 (AR) , 国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

实验室自制静电纺丝简易装置;Spectr AA 220及220Z原子吸收分光光度计;扫描电子显微镜 (Quanta-200型) , 日本HITACHI公司;傅里叶变换红外光谱仪 (Nicolet is10型) , 赛默飞世尔科技 (中国) 有限公司生产。

1.3 PAN纳米纤维的化学改性

采用实验室自制的静电纺丝简易装置制备聚丙烯腈 (PAN) 纳米纤维。配制浓度为0.5mol/L的盐酸羟胺溶液, 并用无水碳酸钠 (Na2CO3) 调节pH值至6。称取一定量的干燥PAN纳米纤维浸泡在100mL的盐酸羟胺溶液中70℃条件下反应2h后取出洗净、烘干并称重。

采用扫描电子显微镜 (SEM) 和傅里叶红外光谱分析仪 (FT-IR) 分别对化学改性前后的PAN纳米纤维的表面形貌特征及分子结构进行分析。

1.4 AOPAN纳米纤维对Fe3+、Cu2+的吸附

称取0.1g的AOPAN纳米纤维数块, 分别浸泡在50mL不同浓度的FeCl3、CuCl2溶液中, 20℃条件下的振荡一段时间后取出, 并用去离子水洗净、烘干。用原子吸收分光光度计对剩余溶液中金属离子的浓度进行测试, 并用式 (1) [4]计算金属离子的吸附量。

其中, Q为单位质量干燥纳米纤维的吸附量 (mg/g) ;C0和C1分别代表溶液中金属离子的初始浓度及吸附后的浓度 (mg/L) ;V0和V1分别代表吸附前后金属离子溶液的体积 (L) ;m是化学改性后纳米纤维的干重 (g) 。

1.5 吸附等温线

Langmuir吸附等温模型和Freundlich吸附模型是研究吸附学时常用的2个吸附等温模型。Langmuir吸附等温模型的假定条件为该吸附表面为单分子层吸附, 且分子间无相互作用。Langmuir[5]和Freunlich吸附等温方程式[6]如下:

其中, Qe为吸附平衡时的吸附量 (mg/g) ;Qmax是单分子层的饱和吸附量 (mg/g) ;Ce代表平衡时金属离子的浓度 (mg/L) ;b为吸附系数 (L/mg) ;n和kf都是Freundlich参数, 分别代表吸附强度和吸附容量。

1.6 金属离子的脱附

将AOPAN纳米纤维 (腈基转化率为47%) 在400mg/L的FeCl3、CuCl2溶液中30℃搅拌反应24h后得到的纳米纤维 (Fe-AOPAN纳米纤维、Cu-AOPAN纳米纤维) 洗净、烘干, 然后浸泡在1mol/L的HNO3溶液中搅拌反应。用原子吸收分光光度计测试反应5、10、20、30、40、50、60min后溶液中金属离子的浓度。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱分析

图1为PAN纳米纤维化学改性前后的红外光谱图。PAN纳米纤维的红外光谱图1 (a) 在2930cm-1、2245cm-1处出现特征吸收峰, 这分别是-CH2基团中C-H和腈基 (-CN) 的伸缩振动峰, 在1735cm-1处出现特征峰, 此峰可能是丙烯酸甲酯单体中的C=O的伸缩振动峰。

(a:PAN纳米纤维;b:AOPAN纳米纤维)

与PAN纳米纤维相比, AOPAN纳米纤维的红外光谱图1 (b) 中出现了不同的特征峰, 在3500~2830cm-1处存在1个很宽的吸收峰, 这是氨基的N-H键 (3500~3300cm-1) 、羟基的O-H键 (3300~3100cm-1) 和碳链吸收缔合导致的;在980cm-1、1610cm-1及1670cm-1处也出现新峰, 分别为N-O、N-H、C=N的伸缩振动峰, 证实AOPAN纳米纤维中有胺肟基团形成。

2.2 腈基转化率的计算

PAN纳米纤维中腈基转化率用以下公式[7]计算。

其中, W0代表PAN纳米纤维的干燥重量 (g) ;W1代表AOPAN纳米纤维的干燥重量 (g) ;M1代表PAN大分子中链节-CH2-CH (CN) -的相对分子量, 数值为53;M2为羟氨分子 (NH2OH) 的相对分子量, 数值为33。

根据实验结果计算得到PAN纳米纤维反应2h后的腈基转化率为47%。

2.3 PAN纳米纤维改性前后的形貌表征

图2为PAN纳米纤维和AOPAN纳米纤维的SEM图片。静电纺PAN纳米纤维呈无规则排列, 纤维表面光滑, 平均直径为200~260nm, 如图2 (a) 所示。图2 (b) 为PAN纳米纤维经改性后的SEM图片, 可以很清晰地看到纤维结构仍存在, 纤维表面未出现严重裂解现象, 但存在轻微的溶胀和明显的弯曲现象。

[ (a) PAN纳米纤维; (b) AOPAN纳米纤维 (腈基转化率为47%) ]

2.4 AOPAN纳米纤维的吸附性能

图3反映了Fe3+、Cu2+初始浓度为400mg/L时AOPAN纳米纤维 (腈基转化率为47%) 在不同时间段对金属离子的吸附量。从图3可见, AOPAN纳米纤维对金属离子的吸附量在前3h内迅速增加, 而随着时间的延长, 吸附量增加缓慢并且逐渐趋于平衡。这是因为AOPAN纳米纤维对金属离子的吸附主要靠偕胺肟基团与金属离子发生配位反应, 在吸附反应初期, AOPAN纳米纤维的比表面积大、表面有大量的空余配合位点并且溶液中有较多的金属离子[8], 所以AOPAN纳米纤维对金属离子的吸附量迅速增加, 而随着反应时间的延长, 金属离子的浓度逐渐减小, 同时, AOPAN纳米纤维表面的配合位点大部分已被占据, 导致吸附反应速率减慢, 吸附量逐渐达到平衡。AOPAN纳米纤维在反应24h后对Fe3+、Cu2+的平衡吸附量分别为120mg/g和95mg/g。

同时, 图3表明了在整个吸附过程中AOPAN纳米纤维对Fe3+的吸附量要高于Cu2+, 即AOPAN纳米纤维对金属离子的吸附具有选择性。这点可以用Pearson软硬酸碱原则[9]和Lewis酸碱理论[10]来解释:在整个吸附反应中, AOPAN纳米纤维作为配体, 分子结构中含有大量的氨基和羟基, 属于硬碱;Fe3+属于硬酸, 它比较容易接受AOPAN纳米纤维配体提供的电子对, 而Cu2+隶属于交界酸, 根据“硬酸优先与硬碱反应并形成较稳定的配合物”的反应规律, AOPAN纳米纤维对Fe3+的吸附性能要优于Cu2+。

2.5 吸附等温线

图4、图5分别是将AOPAN纳米纤维对Fe3+、Cu2+两种金属离子平衡吸附量的实验数据用Langmuir吸附等温模型及Freundlich吸附模型进行非线性拟合的结果, 得到的平衡参数和拟合相关系数R2见表1。

从表1中的数据可以明显看出, Langmuir吸附等温模型比Freundlich吸附模型能更好地拟合AOPAN纳米纤维对Fe3+、Cu2+两种金属离子的平衡吸附量。根据Langmuir吸附等温模型的假定条件, 可以得知, 金属离子在AOPAN纳米纤维表面的吸附过程是单分子层作用。由表1得到AOPAN纳米纤维对Fe3+、Cu2+两种金属离子的饱和吸附量分别为206.36mg/g和118.38mg/g。

2.6 金属离子的脱附

图6描述了金属离子从Fe-AOPAN纳米纤维、Cu-AO-PAN纳米纤维上的脱附速率。从图中可以明显看出在初期, 金属离子的脱附速率快速增加, 但随着洗脱时间的延长, 脱附速率逐渐减慢。在反应1h后, Fe3+、Cu2+的脱附率分别达到了90.6%和86%, 这表明, AOPAN纳米纤维可以重复作为吸附金属离子的基材。

3 结论

利用静电纺PAN纳米纤维与盐酸羟胺溶液反应可以对PAN纳米纤维进行化学改性, 并制得AOPAN纳米纤维。AOPAN纳米纤维对Fe3+、Cu2+的吸附量有差异, 表明AO-PAN纳米纤维对金属离子的吸附具有选择性。Langmuir吸附等温模型能较好地拟合AOPAN纳米纤维对金属离子的吸附过程, 证实AOPAN纳米纤维对金属离子的吸附作用为单分子层吸附。实验结果表明AOPAN纳米纤维对金属离子具有高效的吸附和脱附性能, 在废水处理和贵重金属的回收利用方面有巨大的应用前景。

摘要：用盐酸羟胺溶液对静电纺聚丙烯腈 (PAN) 纳米纤维进行化学改性, 制得偕胺肟PAN (AOPAN) 纳米纤维, 并用作吸附金属离子的基材。用SEM、FT-IR对化学改性前后PAN纳米纤维的表面形貌及分子结构进行表征。采用原子吸收分光光度计 (AAS) 测试溶液中金属离子的浓度, 以此研究AOPAN纳米纤维对铜和铁金属离子的吸附性能。结果表明, AOPAN纳米纤维对Fe3+、Cu2+的饱和吸附量分别为206.36mg/g和118.38mg/g, 且其吸附过程非常符合Langmuir吸附等温模型。此外, 在1mol/L的硝酸溶液中反应60min后, Fe3+、Cu2+的洗脱率分别达到了90.6%和86%。

关键词：表面改性,聚丙烯腈,吸附,金属离子

参考文献

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浅谈大气监测吸附剂的研究应用 篇4

关键词：吸附剂 大气监测 活性炭 硅胶 分子筛

1 吸附剂简介

吸附剂一般具有大的比表面、适应的孔结构及表面结构；对吸附质有强烈的吸附能力；一般不与吸附质和介质发生化学反应，制作方便便于再生，有良好的机械强度等特点，主要能够有效地从气体或液体中吸附在某些成分中的固体物质。我们还可以根据吸附剂自身存在的特点，将其按孔径大小、颗粒形状以及化学成分和表面极性等进行分类，分成四种新的吸附剂，如粗孔或细孔的吸附剂，粉状、粒状和条状的吸附剂，碳质和氧化物吸附剂以及极性和非极性吸附剂等。笔者常用的吸附剂主要是以碳质为原料的各种活性炭吸附剂，主要有硅胶、活性炭和树脂吸附剂、分子筛以及活性氧化铝等，其中，活性炭是一种多孔性固体，比表面积大，吸附力比硅胶、氧化铝都强，属于非极性的吸附剂。我们衡量吸附剂主要指标的时候，主要是根据其在不同气体杂质的吸附容量、磨耗率以及比表面积和抗压碎强度等方面的主要表现。

2 大气监测吸附剂应用现状

大气环境监测主要针对大气环境中污染物浓度所进行的观察、分析其变化以及对环境影响测定的一个总的过程。其中大气污染所要监测的就是对大气中污染物的种类以及浓度所进行的测定，并观察其时空分布和变化的规律。其中，对大气监测出的分子污染物主要有硫氧化物、氮氧化物、臭氧、一氧化碳以及碳氢化合物等。而颗粒状污染物主要有灰尘粒、悬浮粒、飘尘以及酸沉降等。我们通常是根据一个地区的规模、大气污染源等分布情况和气象条件以及地形地貌等因素，对所规定的项目做定期的监测。

吸附剂在大气监测中的运用主要体现在大气采样阶段。采集大气最主要的方法是使大量空气通过液体吸收剂或固体吸附剂，以吸收或阻留污染物，把原来大气中浓度较低的污染物富集起来，如抽气法、滤膜法。而使用固体吸附剂最为常见。

常用的固体吸附剂有颗粒状吸附剂和纤维状吸附剂两种。常用的颗粒状吸附剂有硅胶、素陶瓷等，用于气态、蒸汽态和颗粒物的采样；纤维状吸附剂有滤纸、滤膜、脱脂棉、玻璃棉等，吸附作用主要是物理性的阻留，用于采集颗粒物。有时吸附剂先用某种化学试剂浸渍处理，使污染物同它发生化学作用而被吸附，主要用于采集气态或蒸汽态污染物。

吸附剂是吸附技术中的关键因素。目前我们常见的吸附剂主要可以分为无机吸附剂和非极性或极性的各种高聚物吸附树脂。但是因为各个吸附剂的结构形貌等都不相同，就会导致吸附剂的性能存在很大的差别，尤其是在吸附材料的选择上甚至选择，因为吸附材料的好坏将会直接影响到吸附性能。

3 几种常用吸附剂的性能分析

下面对几种常用的吸附剂，活性炭、硅胶、碳分子筛的吸附能力从机理及改性方面进行分析。

3.1 活性炭 活性炭的种类多种多样，我们可按其外观形状，将其分为粉状活性炭、颗粒活性炭、活性炭纤维和蜂窝状活性炭等；按原料来源划分，可将其划分为木质活性炭、矿物质原料活性炭和其它原料制成的活性炭等。

周春何等人对无机吸附剂活性炭和沸石分子筛进行测定，主要采用的是Micromeritics ASAP2020C型吸附仪，测定方面主要包括比表面积、微孔表面积、外表面积、孔容和微孔容面积等。我们采用BEI方法对这些测定面进行计算。测定面计算的结果就显示活性炭比表面积最大为（935.56m2/g），其次为NaY（818.42m2/g），ZSM-5的比表面积最小为373.81m2/g。我们从微孔比表面积和外比表面积的分布，不难发现，活性炭和沸石分子筛都有着十分丰富的微孔比表面积，这些都能够表明出这两类吸附剂都有着发达的吸附微孔。从孔体积分布不难看出，微孔体积就相对要丰富一些，而且结果也相符合。

表面的化学组成也是影响活性炭吸附性能的一个重要因素，该因素主要是影响着活性炭的酸碱性和润湿性以及吸附选择性方面的，进而造成的吸附特性也是各不相同的。

3.2 硅胶 一般而言，我们可以将硅胶按其性质分为两大类，即有机硅胶和无机硅胶。按其组成形状，我们又可以分为挤出硅胶和模压硅胶两类。

无机硅胶是吸附材料中相对高活性的材料，通常使用硅酸钠和硫酸反应，并经过一系列老化、酸泡等化学后续处理后制成的。因为硅胶属于非晶态物质，其化学分子式为mSiO2·nH2O，是一种不溶于水和任何溶剂的物质，其化学性质稳定，无毒无害，只有和强碱以及氢氟酸等进行强烈反应。因为硅胶的型号众多，因此每种型号的硅胶制造方法也各不相同。而硅胶的化学组成部分和物理结构，就决定了它具有许多其它类材料难以取代的高吸附性能、热稳定性好以及化学性质稳定、有较高的机械强度等特点。

有机硅胶是一种有机硅化合物，是指含有Si-C键、且至少有一个有机基是直接与硅原子相连的化合物，习惯上也常把那些通过氧、硫、氮等使有机基与硅原子相连接的化合物也当作有机硅化合物。其中，以硅氧键（-Si-O-

Si-）为骨架组成的聚硅氧烷，是有机硅化合物中为数最多，研究最深、应用最广的一类，约占总用量的90%以上。

硅胶已成为当前空气干燥净化领域最广泛研究的对象之一。但硅胶在吸附性能及耐热性能等方面需要加强。因此，必须寻找有效的硅胶改性方法。

将硅胶浸泡到卤盐溶液中得到复合硅胶吸附剂，由于卤盐对水分子的亲合性能，可改善硅胶的除湿性能。Aristov等开展了由多孔硅胶和氯化钙所组成的杂化吸附剂的性能研究。Zhang等将传统硅胶转轮材料和卤素盐复合制得硅胶/卤盐复合干燥剂等。由于硅胶表面卤素离子的存在，易产生腐蚀以及无法解决深度除湿等问题。利用分子筛和硅胶吸附剂各自吸附特性，对其进行有机复合，制备了硅胶/分子筛复合物，可显著改善其吸附性能。

3.3 分子筛 分子筛是一种具有立体晶格的硅铝酸盐化合物。也具有均匀的微孔结构，分子筛的孔穴直径的大小相对均匀，这些孔穴相比其直径小的分子将会吸附到孔腔的内部，并对极性分子和不饱和的分子都具有优先吸附的能力，因而能将两者根据分子大小及沸点的不同进行“筛分”分子作用，故称作是分子筛。但是因为分子筛具有较强的吸附能力和热稳定性能力，这是其他吸附分子所不具备的特点，就使得分子筛获得广泛认可和应用。

现在应用最多的分子筛材料多为孔分子筛。多孔分子筛作为重要的无机材料，主要是因为其具有独特规整的孔道及其可调用的结构特征，而被广泛应用于酸碱催化、吸附和离子交换等方面。近些年，随着分子催化、光反应、纳米化学以及电化学和生命科学等领域的迅速发展。这些材料在大分子的吸附和催化方面都比我们预期的更具广阔的应用前景，但是其合成和应用的工作还处于起步的阶段。

分子筛材料分为微孔分子筛、介孔分子筛、微孔介孔复合分子筛。我们根据制造介孔所用的不同方法，可以将微孔分子筛制备方法分为脱铝法、脱硅法和热处理法等三种。而对介孔分子筛的主要处理是对其进行改性，提高其水稳定性和催化活性。由于微孔分子筛和介孔分子筛存在一定的局限性，就需要我们克服两者的局限性，使二者能够得到互补，研究者还开发了双重孔结构的符合分子筛，这种分子筛具有微孔和介孔双模孔分布，而且孔径和酸性均可进行调整，我们要想提高整体复合材料的物化性能，就可以将这两种材料的优势进行互补和协同作用。

4 结论及展望

随着工业的发展，大气污染越来越严重，大气监测对环境保护的重要性也越来越大。合理选择吸附剂能极大的提高大气监测的准确性和效率。本文通过分析目前几种常用的吸附剂的研究应用现状，展望了未来吸附剂的研究发展方向。

参考文献：

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吸附剂应用于环境治理 篇5

由饮用高氟水而引起的氟中毒(氟斑牙及氟骨症等)是世界上分布最为广泛的地方病之一。我国除上海市以外,其余各省自治区和直辖市都发现有高氟地下水。山阴县位于山西大同盆地的西南端,地处桑干河中上游地段。沿着盆地的中轴部位沉积了较厚的第四纪沉积物,属于富氟的地球化学环境。当有降水时,土壤中的水溶氟被雨水淋溶下渗而补给上层地下水,且土壤盐碱化严重,在这种碱性环境中,土壤中难溶的氟化钙也能得到活化,使氟迁移积累于上层地下水中,再加上强烈的蒸发作用,在10 m内的表土层富集了较多的氟化物,表层水中含氟量较高;但在较深层地(30～50 m)中,氟也相对富集,含量超标,是一个典型的氟中毒病区[1]。当地村民均是以地下水作为饮用水,因此针对这些地下水中过量氟离子的调查研究及氟离子去除非常必要。

吸附法操作简单、适用于分散高氟水源中氟的去除,在众多的饮用水除氟方法中最为经济有效[2,3]。但传统的吸附剂如活性氧化铝等存在吸附容量低,且适用pH范围偏酸性等问题[4,5],影响它们的实际应用。研制了一种新型的吸附材料-由Fe-Al-Ce复合金属氧化物吸附剂,该吸附剂除氟性能优异,且pH适用范围宽[6]。本文在调查了山阴县LY和AR 2个村的地下水中氟离子浓度和一些水质指标后,针对这些高氟地下原水,以Fe-Al-Ce复合金属氧化物为吸附剂,进行了氟离子去除应用研究。

1 实验材料与方法

1.1 山阴县高氟地下水取样与分析水质调查

选取山阴县LY和AR两个村为取样点,这两个村村民均以自家井水为饮用水水源,井深均小于30 m。采样时,水样充满1000 mL的聚四氟乙烯瓶。在采样现场对水样的pH值、总溶解性固体含量、电导率和水温进行了测量。pH值和水温测量用的是 HM-14P型pH 计(TOA,日本),总溶解性固体含量和电导率由CO150型电导率计(HACH,美国)。其余指标均在实验室测定,其中氟离子由IM-40S型氟离子选择电极(TOΛ,日本)分析得到,Fe、Ca、Mg、P等由ICP-AES(Model 9000, ULTIMA, France)测定。

1.2 Fe-Al-Ce吸附剂对山阴高氟水的除氟研究

1.2.1 Fe-Al-Ce复合氧化物的制备

将铝盐、铁盐、铈盐等溶解形成一定摩尔质量浓度的水溶液,控制一定反应条件进行水解、陈化,将得到的沉淀洗涤、干燥、焙烧、研磨,即得Fe-Al-Ce除氟吸附材料。

1.2.2 Fe-Al-Ce复合氧化物的氟吸附性能评价

(1)pH对氟吸附性能的影响。

pH不仅会影响氟离子在水溶液中的形态,也是金属(水合)氧化物在水中的水合解离反应的关键因素,因此高氟水的pH值是影响氟离子吸附的最重要因素。本研究考察了不同pH条件下Fe-Al-Ce吸附剂氟离子的吸附情况。100 mL反应体系中,吸附剂的浓度为150 mg/L,氟离子浓度为10 mg/L,电解质(高氯酸钠)浓度0.1 mol/L,分别用稀高氯酸和氢氧化钠溶液调节溶液的pH值从4.0～10.0。在HZQ-F型恒温振荡器中振荡,在过程中不断调节pH。平衡24 h后,测定溶液pH,用0.45 μm滤膜过滤,用TOΛ 的IM-40S型离子选择电极测定滤液中的氟离子浓度,计算氟吸附量。

(2)地下水配水的氟吸附等温线。

为较好地模拟比较实际高氟原水的去除情况,以北京延庆地下水配成一系列氟浓度的高氟原水,其水质基本指标如表1所示。其pH为7.96,与山阴地下水的pH较接近。

100 mL反应体系中,吸附剂的浓度为150 mg/L,氟离子初始浓度从2～20 mg/L,不调pH。在25 ℃,180 r/min下,在HZQ-F型恒温振荡器中振荡平衡24 h后,用0.45 μm滤膜过滤,测定滤液中的氟离子浓度,计算氟吸附量。

1.2.3 Fe-Al-Ce吸附剂对山阴高氟水的氟离子的去除实验

以山阴地下水的典型水样为高氟原水,在250 mL 锥形瓶中,加入100 mL山阴高氟原水,分别称量一系列不同质量的Fe-Al-Ce吸附剂加入上述水样中,使吸附剂的固体浓度在0.02～2.0 g/L之间。在25 ℃,180 r/min下,在HZQ-F型恒温振荡器中振荡24 h后用0.45 μm滤膜过滤,测定滤液中的氟离子浓度。

2 结 果

2.1 山阴高氟原水水质情况及氟离子浓度调查

表2是调查的山阴LY和AR各3个水样的水质情况。山阴县饮用水以浅层地下水为主,从表2可以看出,这些水样的pH多在7.5～8.0之间。地下水的pH值对氟在水中的存在状态有决定作用。pH值越高,F-所占总氟比例越高,从而有利于氟离子在地下水中的富集。当pH在7～8时,F-所占的总氟百分比可达81%～99%[7]。AR村的总溶解性固体含量普遍较高,AR-2和AR-3均超过国家生活饮用水标准中有关农村小型集中式供水和分散式供水水质中相关的浓度限值(1 500 mg/L)(GB5749-2006),这时它们的Ca和Mg的含量也较高。LY-1、LY-3、AR-2 的Fe含量也超过于国家生活饮用水标准(0.5 mg/L),其中LY-3的Fe含量更是高达1.56 mg/L,严重影响村民的饮水口感,而这些因素也可能会影响氟的吸附。

这6个水样中的氟离子均远远高于国家生活饮用水标准(GB5749-2006)中1.0 mg/L和其中有关农村小型集中式供水和分散式供水水质中相关的浓度限值的1.2 mg/L,从两个村庄的比较来看,AR的氟含量普遍高于LY村,其中最高的AR-2的氟浓度高达4.76 mg/L。由于是冬天采样,水温较低;而水温低不利于氟离子从岩石、土壤表面解离,从而影响氟在水中的富集[7],因此此次水样的氟离子浓度可能较平常为低。据文献报道,若长期饮用氟离子浓度高于1 mg/L的水,则会引起氟斑牙病;长期饮用氟离子浓度为3～6 mg/L的水会引起氟骨病[8]。通过入户调查了解到的LY村和AR村的氟斑牙发病率均高达85%以上,氟骨病发病率超过了20%。因此对山阴高氟地下水中氟离子的去除研究是非常必要且刻不容缓的。

2.2 Fe-Al-Ce复合氧化物的氟吸附性能评价

2.2.1 pH对Fe-Al-Ce吸附剂除氟性能的影响

由于山阴地下水的pH均较高,而pH是影响氟离子吸附的关键因素。图1显示了不同pH条件对Fe-Al-Ce复合氧化物氟吸附性能的影响结果。在pH 6.0时,Fe-Al-Ce吸附剂对氟的吸附量最大,为54 mg/g。在碱性条件下 Fe-Al-Ce吸附剂则对氟的吸附量有所降低,这可能是由于碱性环境中OH-的大量存在,与F-竞争吸附能力增强引起的[9,10]。但溶液pH在山阴县地下水的范围(7.5～8.0)内时,Fe-Al-Ce吸附剂仍对氟离子保持了相对常规吸附剂活性氧化铝等[11]较高的吸附量(28～37 mg/g之间)。

2.2.2 地下水配水吸附等温线

图2是Langmuir等温线对Fe-Al-Ce复合氧化物对由北京延庆地下水配制的高氟水的氟吸附等温线的拟合结果。吸附过程达到平衡时,溶液中的平衡氟浓度Ce(mg/L)与固体表面上吸附量Qe(mg/g)的关系在恒定温度下可以用吸附等温线来表达。通常用来描述固液界面的吸附过程的吸附等温线有Langmuir模型等。Langmuir吸附方程式如式(1)所示:

$Q{}_e=\frac{Q{}_{\max }bC{}_e}{1+bC{}_e}(1)$

式中:Qmax为饱和吸附时的吸附容量,mg/g;b为与吸附焓有关的系数,L/mg。

在图2中,以1/Ce为横坐标,1/Qe为纵坐标图,结果得到良好的线性关系,这说明在这种条件下,Fe-Al-Ce吸附剂对氟离子的吸附符合Langmuir吸附等温线模型(可决系数R2=0.992 6)。根据得到的线性方程,可以推算出当平衡浓度为1 mg/L时,Fe-Al-Ce吸附剂的平衡吸附量为4.2 mg/g,该值对去除山阴地下水中过量氟离子所需的吸附剂投加量有理论指导作用。

2.3 山阴高氟原水中氟离子的去除

图3显示了不同吸附剂投加量对山阴高氟地下水中氟离子去除的影响。从图3可以看出,随着Fe-Al-Ce吸附剂投加量的增大,水中氟离子浓度随之降低,而氟的去除率则相应增大。由于原水氟离子浓度及水质情况不同,吸附后氟离子低于1.0 mg/L 所需的吸附剂投加量有一定差别,总的说来是与氟离子的浓度呈正相关的。

从图中可以看到,对于氟离子浓度最高的AR-2和AR-3氟浓度分别是4.67和4.55 mg/L,AR-2的除氟效果好于AR-3。当氟平衡浓度为1 mg/L时,对AR-2和AR-3的吸附容量分别为3.2和2.7 mg/g,对应所需的吸附剂投加量分别为1.2和1.3 g/L。它们的吸附量均低于通过吸附等温线得到的平衡吸附量(4.2 mg/g)。对比它们的水质特征发现,AR-2和AR-3的TDS都很高,其中AR-3水样的TDS高达2 000 mg/L。TDS在这样高浓度的条件下,会对Fe-Al-Ce复合氧化物对氟的吸附性能产生负影响。通过分析吸附后的溶液的TDS,AR-2和AR-3分别是960和1 650 mg/L 相对于吸附前分别减少了160和350 mg/L,可推断有相当部分的杂质离子吸附到了Fe-Al-Ce复合氧化物上,从而影响了氟离子的吸附,而以对AR-3的影响更大。这个可用来解释AR-3的氟离子浓度(4.55 mg/L)较低于AR-2 的4.67 mg/L,但总的氟离子的去除效果却是AR-2 好于AR-3 的事实。

LY-2和AR-1的氟离子浓度均在3.0 mg/L 左右,它们的pH,TDS等都比较相近,由图3可看到,将这两组氟浓度降低到1.0 mg/L所需的吸附剂的量却不相同,其中LY-2所需的吸附剂投加量是0.68 g/L,而AR-1 则仅需 0.55 g/L 即可,对应的平衡吸附量分别是3.2和3.8 mg/g。分析原因,在TDS相近的情况下,AR-1的阴离子浓度硅酸根(Si)则明显低于LY-2,而硅酸共存时可能会与氟离子竞争吸附。

LY-1和LY-3是氟离子浓度最低的,在2.0 mg/L左右,这两个高氟地下水水质有较大差别,pH、TDS、Fe的浓度均相差很大,因此分析其对氟吸附影响较为困难,各种影响有利有弊。从图3中得到的将这LY-1和LY-3氟浓度降低到1.0 mg/L所需的吸附剂的量却相同,都是0.4 g/L, 对应的平衡吸附量分别是3.0和2.8 mg/g。

与地下水配水得到对应平衡浓度为1.0 mg/L的平衡吸附量4.2 mg/g相比,山阴的6个高氟原水降到1.0 mg/L的平衡吸附量均较低,在pH相近的情况下,这可能由山阴高氟原水中普遍较高的TDS造成的。但与传统的吸附剂活性氧化铝相比(其对应于1.0 mg/L的平衡吸附量<1.0 mg/g)[11],仍是具有很大的吸附容量优势。

3 结 论

(1)山阴县是典型的饮用水型氟中毒地区,所取的地下水水样中氟离子浓度均超出了国家饮用水标准,当地村民氟斑牙症状普遍,氟骨症也有所发生,高氟地下水的治理迫在眉睫。

(2)Fe-Al-Ce复合氧化物对氟的吸附性能较好,pH适用范围宽,在溶液pH值为7.0～8.0时,仍具有较高的吸附容量。根据对山阴高氟水中的过量氟离子的吸附研究结果表明该吸附剂可用于实际地下水的氟的去除,具有较好的实际应用前景。

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