固體吸附劑在環境科學中的應用

1. 前言

進入20世紀以來，環境問題呈現出地域上擴張和程度上惡化的趨勢。在大氣環境方面，由于能源結構以煤為主，故隨著能源使用量的上升大氣污染的狀況日益嚴重。固體吸附劑在環境治理特別是空氣凈化方面的應用越來越廣泛。

2. 固體吸附劑

固體表面的氣體與液體有在固體表面自動聚集，以求降低表面能的趨勢。固體表面的氣體或液體的濃度高于其本體濃度的現象，稱為固體的表面吸附。常見的吸附劑有硅膠、活性炭、吸附樹脂（樹脂吸附劑）、黏土、硅藻土、分子篩、活性氧化鋁。其中，活性碳是一種多孔性固體，比表面積大，吸附力比硅膠、氧化鋁都強,屬于非極性吸附劑。

固-氣吸附在環境保護中有著特殊的地位，固體吸附劑作為干燥劑、防毒面具、脫色劑、色譜、污水處理、催化劑等在干燥空氣的制備、廢氣和毒氣的凈化、混合氣中某中有用有機成分的回收、脫氣獲得高真空等方面有廣泛的應用。

3. 固體吸附劑的應用

3.1 固體吸附劑在環境治理中的應用

3.1.1 吸附式空氣取水取水方法

現在有一種環保、節能的空氣取水新技術,它利用固體吸附劑吸附空氣中的水分,通過太陽能或其他熱源加熱使吸附的水分脫附并冷凝獲得淡水。文中利用自制的復合吸附劑SWS-n作為吸附材料,利用固體吸附劑吸附空氣中的水分,加熱吸附劑使吸附的水分脫附,脫附的水蒸氣經過冷凝而獲得淡水。

以某人工合成的吸附材料SWS為基質,復合某無機鹽制成的復合吸附劑SWS - n具有很高的吸附水能力,其最大飽和吸附水量高達175 %左右,大大高于現有的吸附劑;在80 ℃的較低加熱溫度下,每kg 吸附劑產水量高達1. 6 kg ,具有很高的取水效率。

通過實驗表明,每kg吸附劑可獲得水量約1. 6 kg ,具有很高的取水效率。吸附式空氣取水方法同吸收法相比,具有系統裝置簡單、體積小、效率高的優點。

3.1.2 以城市污水處理廠污泥為原料制備活性炭

城市污水廠污泥是污水處理系統產生的副產物。隨著城鎮化過程的加快，水工業將成為我國很有潛力的產業，生活給水量和城市污水的產生量會越來越大，隨之而來的污水處理廠產生的污泥越來越多，污水廠污泥是一含水率高、含大量有機物和有毒有害物質(包括微生物、重金屬和有毒有機物) 等的具有復雜流變形的半干性固體廢物,它容量大、易腐敗、不穩定、有惡臭，如不加以安全處理和處置，將造成嚴重的二次污染問題，但同時污泥中含有大量的有機物、腐殖質等可利用資源。因此，探討并實施城市污泥處理處置和資源化新途徑，對解決污泥污染問題具有重要意義。

通過對污泥特性分析、污泥活性炭最佳工藝探討、污泥活性炭比表面和掃描電鏡表征分析， 研究了以城市污泥為主要原料制備活性炭。

實驗結果表明：在最佳工藝條件40％氯化鋅溶液為活化劑、活化時間20min、活化溫度600℃、固液比為1∶2～1∶3的條件下,制備的污泥活性炭碘吸附值為514～542mg/g，大孔、中孔、微孔容積分別為0139～0153mL/ g、0110～0115mL/ g、0115～0123mL/ g，比表面積為193～256m2/ g。將污泥活性炭處理COD為2400mg/ L、色度250的制藥廢水，COD去除率> 87 ％、色度去除率>80％。

以城市污泥為主要原料制備活性炭符合固體廢物污染控制的減量化、資源化、無害化原則，利用現有的活性炭制備技術路線和設備即可滿足其生產要求，可以制備出用于去除污水中污染物的吸附劑，體現以廢治廢，化害為利的原則，對污泥資源化的工業化生產有一定的指導作用。

3.1.3 用煤基吸油劑和活性碳治理空氣中的瀝青煙

瀝青煙系建筑、石油、冶金、焦化等工業部門中瀝青、石油、煤炭等在高溫下揮發到環境空氣中的煙霧物質，嚴重污染環境。瀝青煙的組分主要是多環芳烴，包括萘、菲、蒽、酚、咔唑、吡啶、吲哚、茚等一百多種有機物。醫學研究表明，它們對人體及動植物均會造成嚴重危害，特別是其中的多節環烴苯并芘，是一類致癌物或強致癌物。

張中豪[3]對瀝青煙的脫除效果研究表明，采用固體吸附劑能使其脫除率大于90% ，可用于污染治理。實驗發現，煤基吸油劑和活性碳對瀝青煙均有很好的吸附能力，可用于污染治理和勞保防護。

3.1.4 用固體吸附劑檢測空氣中的甲醛

　 甲醛廣泛存在于環境中,廣泛存在的甲醛對人類的身體健康造成了不良影響,能引起許多癥狀和體征,如對皮膚、眼睛和黏膜的急性刺激作用和致敏作用,痰多,引起頭痛、結膜炎、鼻咽部疾病等,嚴重者發生喉痙攣、肺水腫。[4]

甲醛在環境中對機體有諸多不利的影響。隨著生活水平的提高和衛生意識的增強,人們現在越來越關注它在環境中的存在(尤其是在室內裝修方面) ,因此對它的研究也較多。國內外建立了許多空氣中甲醛有效的檢測方法,而對甲醛的生物檢測方法研究卻很少。

Mc Clenny等【5】氣相色譜- 質譜(GC2MS)法用固體吸附劑(石墨碳和碳分子篩結合)對空氣中的醛類化合物進行采樣，再解吸進入GC分離，MS分析。其檢出限為615 ×10- 4mg/ m33。

3.2 固體吸附劑有利于減輕空氣污染

3.2.1 利用固體吸附劑去除煙道氣中的CO2[6]

以色列Solmecs公司開發出一種從氣流(電廠煙道氣)中去除CO2的新方法。該法被稱作化學-溫度-交替吸附(CTSA ) 法, 使用一種由該公司開發出的具有專利權的固體吸附劑。這種高孔隙度吸附劑在45～65℃利用化學吸附將CO2從氣流中吸附去除；吸附的CO2在100～125℃被解吸, 同時使吸附劑的活性再生。

據估計, 該法的投資為600 美元/(t CO2·h- 1),而傳統的胺吸附法的投資為900 美元。新法的運轉費用為20 美元/t CO2, 而胺法為35～ 40 美元。新法費用低的原因是因為其設備簡單, 能耗低及運轉穩定。該法已完成實驗室試驗, 計劃今年建1座150 m 3/h規模的中試裝置。

3.2.2 在環境監測中利用固體吸附劑采樣

隨著生產力的發展，在生產過程中會排放很多毒物。毒物來源主要有原材料、輔助原料、中間產品、成品、副產品、夾雜物、廢棄物, 有時也來自熱分解產物及反應產物等。作業場所空氣中的有毒物質, 大多來源于工業生產過程中逸出的廢氣和煙塵, 空氣中有毒物質一般以氣體、蒸氣、煙、霧、塵及氣溶膠等不同狀態存在, 有時則以多種形態同時存在于空氣中, 不同狀態的毒物需要用不同的方法和采樣儀器進行采集【7】。

當承接了工作場所有毒物質監測任務后, 怎樣正確應用這些評價指標、如何進行采樣監測是監測人員首要解決的問題。正確的空氣樣品采集方法, 要根據待測物的性質、存在狀態、各種采樣方法的適用性、擬采用的評價標準等來決定空氣采樣器和空氣收集器, 合理采樣監測方式還須考慮采樣策略和采樣技術, 并根據監測目的和實際接觸情況作相應調整。『8』監測人員應掌握擬監測毒物的性質、存在狀態監測人員首先要了解該毒物的理化性質和在空氣中存在狀態, 弄清其來源、種類、侵入途徑和代謝途徑。例如有機溶劑蒸氣大多用固體吸附劑采樣（刺激或窒息性氣體除外），如美國職業安全健康協會（O SHA）和國立職業安全與健康研究院（N IO SH）所頒布的對空氣中有機蒸氣的監測方法中應用活性炭吸附劑采樣者已達數百種之多[9]。

3.2.3 固體吸附劑在煤燃燒中的應用

3.2.3.1 煤分級燃燒中固體吸附劑對痕量金屬排放的影響

近年來燃煤鍋爐產生的有毒痕量元素對環境的危害越來越被人們所關注。煤中含有多種不同物理化學形態的痕量元素，在燃燒過程中，一部分痕量金屬會釋放出并以氣相存在，隨著溫度的降低直至露點溫度，會形成很小的氣溶膠核或在周圍已存在的顆粒上凝結，富集在亞微米顆粒上。盡管電站鍋爐的除塵效率很高（>99%），但仍有相當一部分的亞微米顆粒進入到大氣中，給環境造成很大的危害，因此有必要研究痕量金屬的控制技術。

程俊峰等[10]在一維煤粉燃燒爐上進行了煙煤添加不同吸附劑的分級燃燒試驗。 試驗過程中保持總的空氣過剩系數α為1120 ，分級風量占總風量的20 % ，爐內溫度為1100 ℃左右。 試驗發現分級燃燒會增加亞微米顆粒排放，不利于對痕量重金屬元素的控制，尤其對揮發性大的元素（如Cu和Ni）影響越明顯。固體吸附劑對煤中重金屬的排放具有吸附作用，并且不同的吸附劑對不同的痕量元素的吸附效果各不相同，不分級時，對Co，Cr，Ni元素來說，高嶺土的吸附效果最好；對Be元素，灰質白云石效果最好；CaO則對Cu元素的吸附效果最好。而在分級情況下，對元素Be，Cr，Ni，灰質白云石的效果最好；對Co和Cu，高嶺土的吸附最好。

吸附劑對痕量元素的吸附包括物理吸附和化學吸附，物理吸附則主要以痕量元素蒸氣在孔內的凝結為主。盡管燃煤煙氣中痕量元素的濃度達不到過飽和，但由于孔內擴散（包括分子擴散和Knudenson擴散）和開爾文效應，可以在高于露點的溫度下凝結，即毛細管凝聚。而且吸附劑內存在許多活性位如SiO2，Al2O3，MgO等，這些活性位在高溫下可以與痕量元素化合物反應生成穩定的晶體和玻璃體。活性中心與痕量元素化合物分子的相互作用取決于痕量元素的化學性質，如SiO2，Al2O3與Pb、Cd、Cr的化合作用要強于與Ni、Co等元素的作用，另外這些活性位的分布也是不均勻的，所以各痕量元素化合物對活性位的競爭具有選擇性。

在燃燒中添加固體吸附劑來捕獲痕量金屬被廣泛認為是一項有前景的技術，它通過物理吸附和化學反應固定痕量金屬化合物，并將它們轉化為對環境無害的形式。國內外研究表明固體吸附劑對煙氣中的金屬蒸氣的清除非常有效。吸附效率與元素種類，吸附劑特性和噴入模式，運行溫度，燃燒氣氛以及空氣流動速率等因素有關。多項研究表明吸附過程不僅僅是物理過程，而是一個包含有吸附、凝結、擴散和化學反應的復雜過程。

3.2.3.2 固體吸附劑對流化床燃燒中痕量元素的控制

煤中的痕量元素，在煤燃燒過程中，隨著溫度的升高，痕量元素如Hg、Pb、Cr、Cd等會揮發出來并附著在亞細微米顆粒上，隨之排入大氣中，對生態環境和人體造成危害。亞細微米顆粒在大氣中主要以氣溶膠形式存在，不易沉降，其化合物不易被微生物降解，可以在人體內沉積，并可以轉化為毒性很大的有機化合物[1]。現有的除塵設備對直徑小于1μm的顆粒的捕獲效率不是很大，目前比較經濟有效的方法是采用固體吸附劑對其進行控制。這種方法是通過物理吸附和化學反應固定痕量金屬化合物,并將它們轉化為對環境無害的形式。 國內外研究表明，固體吸附劑對煙氣中的金屬蒸氣的清除非常有效。

陸繼東等[11]討論了在流化床燃燒狀態下，固體吸附劑對痕量元素Hg、Pb、Cd、Cr 排放的抑制作用。固體吸附劑對痕量元素的作用是一個復雜的物理化學過程，包括物理吸附與化學吸附。固體吸附劑提供了較大的比表面積與可能吸附痕量元素的活性位。吸附劑的吸附效果與元素自身性質、燃燒方式、煤種及吸附劑的類型都有關系。

3.2.4 天然氣脫水方法——固體吸附法『12』

天然氣利用是能源開發和利用方面的新興技術。從天然氣中回收輕烴的制冷工藝通常采用吸附法、油吸收法和冷凝法。天然氣脫水的方法主要有加防凍劑脫水法、溶劑吸收法和固體吸附劑吸附法。固體吸附法是根據吸附原理, 選擇某些多孔性固體吸附天然氣中的水蒸汽, 較常用的吸附劑為分子篩。這類方法適用于深度脫水, 脫水后的干氣含水量可低于1ppm, 露點低于- 70℃。該法優點是對原料氣的溫度、壓力和流量變化不敏感, 設計和操作簡單, 占地面積小；缺點是投資和操作費用比三甘醇吸收法高。固體吸附法一般用于天然氣深冷輕烴回收裝置等需要深度脫水的場合,在國內外深冷分離裝置中普遍采用, 國內部分淺冷裝置也有采用。

4. 結語

人類的生存與發展，必須以環境為依托，環境的破壞必然導致發展受阻，而良好的環境條件是社會經濟良好發展的必要條件。所以在環境保護方面，由于固體吸附劑的性質，固體吸附劑也作為研究對象受到重視。