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来源：职称驿站所属分类：材料科学论文 发布时间：2012-11-05浏览：39次
摘要：水中污染物严重危害人体健康，近年来发现介孔分子筛对废水中污染物有较好的吸附效果。概述了介孔分子筛在处理废水中无机污染物(金属阳离子和阴离子)和有机污染物的应用情况，阐述了影响其吸附的主要因素，并对应用前景进行分析。
关键词：介孔分子筛,废水,吸附,净化
随着经济的高速发展，电镀、印染、冶金、制革等企业生产规模的迅速扩大，废水的排放量随之增加，而将大量含有有毒物质的废水未经处理直接排放到河流、土壤，会污染生存环境、危及人类健康，废水的处理已成为企业面临的重大问题。有效处理废水，不仅能够消除污染，还可以变废为宝，节约资源。目前，废水处理的常用方法主要有电解法、化学沉淀法、离子交换法、吸附法、催化降解等。
吸附法是通过吸附剂自身特点(比表面积大和多孔结构)或者吸附剂表面活性基团与吸附质的键合作用，选择性的使污染物富集分离的水处理方法，简单易行，已得到广泛应用。吸附剂的种类主要有活性炭、活性氧化铝、硅藻土、微生物、树脂、壳聚糖和介孔分子筛等。介孔分子筛具有高度有序排列的孔道结构、孔径均匀且尺寸可调(2～50 nm)，而且高比表面积(如MCM-41 的比表面积700～1 200 m3·g-1)、大孔体积(MCM-41 孔体积可达1 cm3·g-1)及吸附容量、热稳定性好，孔道表面具有易于修饰的硅羟基等特点，因此介孔分子筛在环保领域中吸附重金属离子、有机污染物、放射性核素等方面具有较大的应用价值。本文简述了介孔分子筛的结构特点、种类和制备方法，综述了近年来介孔分子筛用于废水中污染物的应用情况。
1 介孔分子筛
以M41S 为代表的介孔分子筛首次被合成以来，目前已得到科学家的广泛关注，从合成方法、表征手段等方面进行了深入研究，使其以较快的发展速度广泛应用于吸附、分离、催化等领域。研究最早的是硅基介孔分子筛及改性的硅基介孔分子筛，例如M41S、SBA、HMS 等;然后是非硅基的介孔分子筛，包括过渡金属氧化物(例如介孔TiO2、介孔ZrO2等)和非氧化物(例如介孔碳)2 种类型介孔分子筛。介孔分子筛的制备方法有主要水热法、微波法、湿胶焙烧法和溶剂挥发法等。介孔分子筛的合成机理较为复杂，目前，提出的机理有液晶模板机理、协同作用机理、棒状自组装理论、硅层折叠和电荷密度匹配机理等。
近年来的研究发现，由于单一骨架结构的介孔分子筛网格中缺陷少，缺少质子酸和Lewis 酸中心，反应活性低，作为吸附剂不能较好的发挥吸附作用。通过掺杂原子、有机分子修饰及固载活性组分等手段使介孔分子筛功能化，可改变其吸附性能。引入杂原子是在制备过程中使金属杂原子嵌入骨分子筛架中，从而改变介孔分子筛的稳定性、亲疏水性能;有机官能团修饰即通过共聚或者接枝将介孔分子筛表面进行改性，通常引入的活性官能团有氨基、烷基、巯基、苯基、卤素等，可以针对废水中的不同污染物进行选择性的改性，能够大大提高其吸附效率;而通过在其内表面固载活性组分也可将其功能化，固载的活性组分主要有TiO2、Fe2O3、金属配合物等。
2 介孔分子筛在废水处理中的应用
工业废水含有多种污染物，包括无机污染物重金属阳离子、部分阴离子及有机污染物等，其中的有些污染物不仅具有致癌作用，还会引起神经中毒、代谢紊乱和肝脏中毒等，废水净化已成为十分重要的问题，研究发现介孔分子筛对这些污染物有较好的吸附效果。
2.1 无机污染物
2.1.1 重金属阳离子
重金属离子进入生物体内，能够与生理高分子物质发生强烈的相互作用而使之失去活性，或者积累体内造成慢性中毒，使生物体发生病变。在自然条件下，水中的重金属离子污染物不能自行分解为无害物质，只是形态发生改变或在不同相之间转移，而此过程其毒性并未根本性消除。
介孔分子筛能够对废水中的重金属离子有较好的吸附作用。而有机官能化的介孔分子筛吸附效果优于未被修饰的介孔分子筛，应用较多的修饰基团是-NH2和-SH，因为-NH2和-SH 均能够提供与废水中重金属离子形成配合物的孤对电子。氨基可以与Hg2+、Cd2+、Cu2+、Pb2+、Zn2+ 等重属离子及硼离子、砷离子等非金属离子有较强的键合作用，而对废水中的本体离子K+、Na+、Ca2+、Mg2+、CO32-、HCO3- 等离子没有影响。巯基对Hg2+、Cd2+、Cu2+、Pb2+、Zn2+ 等重金属离子也有吸附作用，但在它们共存条件下，对Hg2+ 亲和能力最强，故对Hg2+ 具有高度的选择性巯基。此外，对溶液中的AsO43- 和PO43- 等离子也具有较好的吸附效果。
2.1.2 阴离子
水溶液中的阴离子部分作为本体浓度对人类没有危害，而像AsO4
3-、PO43- 和F- 等阴离子在水溶液中超过一定的浓度，将威胁人类的健康，而在水溶液以CrO42- 的形式存在重金属Cr(VI)，是诱发人类基因突变的致癌物，介孔分子筛是一种高效、无毒的去除水中这些阴离子的吸附剂。
2.2 有机污染物
水中的有机污染物不易被微生物降解，容易在环境中累积。有些有机污染物是三致物质(致癌、致畸、致突变作用)，对人类健康和生物体构成严重威胁。
介孔分子筛有2 种方式去除废水中的有机物污染物，一是介孔分子筛或者改性的介孔分子筛直接用来吸附有机污染物;另一种是通过负载活性组分，将通过催化降解来去除有机污染物。
由于在水溶液中的大部分有机污染物是非离子疏水性的有机物，而介孔分子筛本身具有一定的疏水性，官能化的介孔分子筛具有较强的疏水性，对废水中的有机污染物具有较好的选择性吸附。
3 影响因素
影响介孔分子筛净化废水效果的因素有介孔分子筛孔径大小、吸附溶液的pH、温度、吸附时间、用量、离子交换特性、表面荷电性等。吸附物质的不同，吸附率的决定因素不同，而研究内容通常为先设定几个影响因素，分别测定其对吸附率的影响情况，依次把影响大小排序，并优化条件，找出介孔分子筛的最佳吸附条件。
3.1 介孔分子筛孔径
一般说来，介孔分子筛的孔径越大，孔容随之增加，吸附效果越好，也可弥补孔径小大分子化合物不能进入孔道中，导致吸附效率低的缺点，扩大其应用范围。而通常为了增强介孔分子筛的选择性，进行有机官能化修饰使孔径变小，增大其孔径显得十分重要。目前，介孔分子筛孔径扩大的方法[40]有改变合成条件(如反应物配比、晶化时间、pH 等)、添加扩孔剂、(如三甲基苯、烷烃、四烷基铵阳离子等)、通过改变表面活性剂碳链的长度(表面活性剂的链长与孔径成正比例)。
3.2 溶液的pH
pH 也是影响吸附作用的主要因素之一，pH 对介孔分子筛活性位点影响较大。对于废水中的重金属离子的吸附，pH 较低时，废水中的H+ 会占据介孔分子筛表面的吸附活性点，并中和介孔分子筛层间的部分负电荷阳离子，吸附率较低;随着pH 升高，羟基活性增大，负电性增强，使金属阳离子去除率增强，但pH 过大，金属阳离子会以氢氧化物沉淀的方式存在，而不是被介孔分子筛吸附，pH 的最佳条件选择是金属阳离子与界面间的库仑力、化学能变化、溶剂化作用等因素共同作用的结果。
3.3 温度
介孔分子筛处理废水是物理吸附和化学吸附的综合过程。物理吸附没有选择性，是放热过程，降低温度对吸附有利;化学吸附具选择性，是吸热过程，温度升高利于吸附处理，温度对吸附过程的利与弊
需要综合考虑，去除物不同，适宜的温度也不同。除去废水中的氟离子，最适吸附温度为20～60 ℃，高温效果变差，这与高温时脱附速率增加，导致吸附容量下降相关，利用分子筛去除氟离子通常选择在常温条件下，方便易行。
此外，吸附时间和介孔分子筛的加入量等因素对吸附率也有一定的影响，吸附量随时间的增长而增加，时间增加到一定的程度即达到吸附平衡时间，吸附量将不再发生变化。不同的介孔分子筛吸附平衡时间不同，最大吸附量不同，温度不同最大吸附量也将随之改变。随着介孔分子筛用量的增加，废水中的净化物质去除率提高，而投入量加到一定程度，吸附率不再变化。总之，吸附过程是十分复杂的过程，是多种因素的综合结果。
4 结束语
介孔分子筛是无毒、环境友好的净化废水的无机材料或者无机-有机复合材料，吸附速率非常快，吸附率高，吸附量大，是一种迅速、高效的净化吸附剂，能够循环利用，而且循环使用过程中，质量和吸附性能均变化不大，吸附的污染物易被回收和处理，不会产生二次污染。目前，介孔分子筛已广泛用于废水中重金属离子的吸附，有机污染物的降解。用于吸收水中的醇类物质，应用于化工、食品等行业，而我国目前对介孔分子筛处理废水的研究大部分还处于实验室研究阶段。主要由于相关技术不成熟，尚未实现工业化。寻找廉价的、选择性高且能大规模生产介孔分子筛的技术方法将成为发展方向之一。
《如何运用介孔分子筛处理废水分析》
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文章名称： 如何运用介孔分子筛处理废水分析
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