吳笑男,盧金榮,梁英華
(華北理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院,河北 唐山 063210)
汞是一種有毒的重金屬,經(jīng)由工業(yè)廢氣、廢水排入環(huán)境中,具有持久性和生物累積性[[1-3]。汞經(jīng)食物鏈的生物放大作用,會(huì)富集于人體內(nèi)而造成汞中毒,給人類(lèi)的生存健康帶來(lái)嚴(yán)重威脅[4-8]。因此,汞的分離和回收引起了廣泛關(guān)注。分離汞的方法包括吸附分離法、化學(xué)沉積法、溶劑萃取法、離子交換法、膜分離法等[9-12]。其中,吸附分離法是一種高效、經(jīng)濟(jì)、操作相對(duì)簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛且前景較好的分離方法,故相關(guān)研究也最為廣泛[13-16],常用的吸附劑包括硅膠、活性碳、分子篩、殼聚糖、沸石、黏土、離子交換樹(shù)脂、活性氧化鋁等。
硅膠是以SiO2為主要成分的非晶態(tài)物質(zhì),是一種由硅酸鈉和硫酸反應(yīng)、經(jīng)一系列后續(xù)處理而制得的高活性多孔吸附材料,分子式為mSiO2·nH2O[17]。硅膠的機(jī)械強(qiáng)度高,能夠在合成、使用中保持原有的物理性質(zhì)不變;化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不溶于水,不與酸反應(yīng)(氫氟酸除外);比表面積和孔結(jié)構(gòu)均較易控制。但未改性的硅膠材料吸附容量低,選擇性差,需通過(guò)改性來(lái)提高其吸附能力[18]。目前,通過(guò)硅膠表面的活性硅羥基對(duì)其進(jìn)行化學(xué)修飾是較常用的一種改性方法。有機(jī)功能化試劑與硅羥基鍵合,從而將有機(jī)官能團(tuán)鍵合到硅膠表面,由于有機(jī)官能團(tuán)的螯合、化學(xué)鍵合、靜電吸附等作用而使硅膠表現(xiàn)出更高的選擇性、穩(wěn)定性以及吸附效率。
本文介紹了對(duì)硅膠基底材料進(jìn)行化學(xué)改性的方法,詳述了硅膠復(fù)合材料在重金屬汞吸附分離領(lǐng)域的研究和應(yīng)用進(jìn)展,分析了現(xiàn)有研究的不足之處,并對(duì)該領(lǐng)域未來(lái)的研究方向提出了建議。
硅膠表面化學(xué)改性的基礎(chǔ)是其表面羥基,方法主要包括有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑改性法、溶膠-凝膠改性法、氯化亞砜鍵合法等。目前,有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑改性法是應(yīng)用較多的一種改性方法。常用的偶聯(lián)劑有氨丙基硅烷偶聯(lián)劑、氯丙基硅烷偶聯(lián)劑、巰基硅烷偶聯(lián)劑等。
李鳳艷等[19]將γ-胺丙基三甲氧基硅烷作為偶聯(lián)劑,使硅膠表面負(fù)載上氨基基團(tuán),進(jìn)而通過(guò)季銨化反應(yīng)使得季銨鹽固載到硅膠表面制成殺菌劑。Najafi等[20]以硅膠為載體,3-氨基丙基三乙氧基硅烷為改性劑,成功制備了氨基改性硅膠,同時(shí)考察了改性硅膠對(duì)重金屬鉛、鎳、鎘的吸附作用。范忠雷等[21]首先以γ-氯丙基三甲氧基硅烷(CPTCS)作為偶聯(lián)劑與硅膠表面的硅羥基反應(yīng)得到CPTCS-硅膠,再與聚烯丙基胺反應(yīng),合成了聚烯丙基胺修飾的硅膠材料,并進(jìn)行了吸附銅離子的研究。Zhang等[22]用3-巰丙基三甲氧基硅烷作為偶聯(lián)劑,合成了巰基功能化的具有磁芯的介孔微球,并研究了其對(duì)溶液中汞離子的吸附性能。Choi等[23]將N-(2-氨基乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三甲氧基硅烷分別與硅膠反應(yīng)形成氨基功能化硅膠復(fù)合材料,然后再與5-氯戊炔發(fā)生取代反應(yīng)生成端基為炔基的復(fù)合材料,該復(fù)合材料可快速將汞離子從溶液中高效脫除。
綜上,通過(guò)偶聯(lián)劑使硅膠表面端基變?yōu)椤狽H2,—Cl,—SH,然后利用端基進(jìn)一步接枝含N,S,O的螯合基團(tuán),如硫脲[24]、巰基噻唑啉[25]、二硫代氨基甲酸[26]等,從而賦予硅膠新基團(tuán)、新功能,使所得復(fù)合材料既可以通過(guò)物理吸附作用吸附重金屬,又可以通過(guò)離子交換、化學(xué)吸附或鰲合等作用將重金屬離子高效快速地脫除。
改性硅膠材料具有豐富的化學(xué)吸附位點(diǎn)以及較大的比表面積,可通過(guò)化學(xué)螯合、物理吸附等作用高效脫除液相汞和氣相汞。
化石燃料燃燒、礦冶、電池制造、電子、化工等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排放的廢水中含有大量汞,主要以Hg2+,Hg(OH)n,CH3Hg,CH3HgOH,CH3HgCl,C2H6Hg,C6H5Hg的形式存在。應(yīng)用于吸附分離溶液中汞的改性硅膠,主要包括有機(jī)官能團(tuán)改性硅膠材料和無(wú)機(jī)磁性硅膠復(fù)合材料。
2.1.1 有機(jī)官能團(tuán)改性硅膠材料
有機(jī)配體或螯合體能夠通過(guò)配位點(diǎn)與金屬原子形成配合物或環(huán)狀螯合物,具有大的吸附容量、高的選擇性、高的吸附效率,被廣泛應(yīng)用于重金屬的傳感檢測(cè)及處理中。根據(jù)軟硬酸堿理論[27],軟酸汞離子與含S的軟堿基團(tuán)、含N的交界堿基團(tuán)能夠配位形成穩(wěn)定的配合物。因此,將含有N,S原子的巰基、硫脲、胺、肟、席夫堿等功能基團(tuán)連接到硅膠載體上,有助于提高對(duì)汞的吸附能力。
Cheng等[28]設(shè)計(jì)和研制了巰基功能化的高靈敏度和高選擇性的新型硅膠微球(SiO2—SH)吸附劑,用于吸附各種形態(tài)的汞,如Hg2+,MeHg,EtHg等(見(jiàn)圖1)。SiO2—SH對(duì)Hg2+,MeHg,EtHg的飽和吸附量分別為27.4,62.1,59.6 mg/g。巰基功能化的硅膠是由帶有氨基的硅膠微球和3-巰基丙酸經(jīng)縮合反應(yīng)得到的,使改性硅膠表面攜帶上可與汞結(jié)合的巰基,從而可對(duì)汞進(jìn)行有針對(duì)性的吸附。
圖1 SiO2—SH吸附各種形態(tài)的汞
Mureseanu等[24]用共縮聚法和化學(xué)接枝法將1-呋喃甲酰基硫脲(FTU)固定到硅膠(SBA-15)表面,從而形成新型有機(jī)硅膠復(fù)合材料FTU-SBA-15,對(duì)Hg2+表現(xiàn)出高選擇性和高吸附性。經(jīng)分析,化學(xué)接枝法得到的復(fù)合材料的有機(jī)官能團(tuán)含更多S配體,因而對(duì)汞的吸附量也更大,在pH為6時(shí)對(duì)Hg2+的飽和吸附量可達(dá)122 mg/g。
Pérez-Quintanilla等[25]以共縮聚法結(jié)合離子印跡法合成了2-巰基噻唑啉改性的硅膠復(fù)合材料,在pH為6時(shí),Hg2+的飽和吸附量可達(dá)206.6 mg/g。Bai等[26]合成了具有多齒狀配體的二硫代胺基甲酸酯結(jié)構(gòu)的硅膠復(fù)合材料(見(jiàn)圖2),考察了該吸附劑對(duì)重金屬離子的吸附性能。大分子二硫代胺基甲酸酯由CS2與聚乙烯亞胺反應(yīng)制得,然后通過(guò)含氯硅烷偶聯(lián)劑接枝到硅膠表面。制備的新型螯合材料對(duì)Hg2+的吸附量可達(dá)80.0 mg/g。
圖2 多齒狀配體硅膠復(fù)合材料
改性硅膠所連接的功能基團(tuán)影響著汞的吸附效果。硅膠攜帶的含有N,S的官能團(tuán)越多,吸附汞的效果就越好。長(zhǎng)鏈狀、多齒狀配體具有較多的配位原子,對(duì)汞具有更強(qiáng)的親和力,且多齒狀配體能夠與Hg2+形成較穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu),故對(duì)Hg2+的吸附能力高于短鏈狀功能基團(tuán)。
除長(zhǎng)鏈狀、多齒狀外,研究者們也合成出具有樹(shù)形分子狀功能基團(tuán)的硅膠基吸附劑。樹(shù)形分子狀的功能基團(tuán)具有像樹(shù)枝一樣的外形,含有大量的配位原子,因而可以結(jié)合更多的Hg2+。Niu等[29]將水楊醛改性的樹(shù)枝狀高分子負(fù)載于硅膠上,合成了一系列樹(shù)狀高分子聚合物(見(jiàn)圖3),用于高效去除水溶液中的Hg2+,25 ℃時(shí)Hg2+飽和吸附量高達(dá)363 mg/g。說(shuō)明改性硅膠表面含有的功能基團(tuán)越多,吸附汞的活性位點(diǎn)越多,捕獲汞的能力也越強(qiáng)。
圖3 樹(shù)狀配體硅膠復(fù)合材料
2.1.2 無(wú)機(jī)磁性硅膠復(fù)合材料
無(wú)機(jī)磁性硅膠復(fù)合材料因具有磁響應(yīng)性、易功能化的特性以及廣闊的應(yīng)用前景,受到了廣泛關(guān)注。將含有功能基團(tuán)的改性硅膠與磁性材料結(jié)合,既可高效穩(wěn)定地吸附汞,也具有磁響應(yīng)性,在外加磁場(chǎng)作用下很容易與介質(zhì)分離,從而實(shí)現(xiàn)吸附劑的分離回收。Fe3O4是制備無(wú)機(jī)磁性硅膠復(fù)合材料中應(yīng)用較多的磁性物質(zhì)。將SiO2包裹于磁性Fe3O4上,使復(fù)合材料擁有了化學(xué)穩(wěn)定性、表面修飾多樣性以及磁響應(yīng)性。表面覆蓋的SiO2保護(hù)磁性Fe3O4在酸性環(huán)境中不被溶解,同時(shí)磁性Fe3O4給功能化的硅膠材料提供了磁性,使復(fù)合材料易于從溶液中分離。因此,含有功能基團(tuán)(—NH、—SH等)的Fe3O4-SiO2復(fù)合材料是一種高效、穩(wěn)定以及具有磁響應(yīng)性的Hg2+吸附劑。
Bao等[30]設(shè)計(jì)并合成了可再生的、高選擇性的、經(jīng)巰基-氨基功能化的Fe3O4-SiO2復(fù)合材料。吸附動(dòng)力學(xué)研究表明,反應(yīng)120 min時(shí)達(dá)到平衡,Hg2+吸附量為355 mg/g。經(jīng)5次重復(fù)使用實(shí)驗(yàn),復(fù)合材料的吸附能力仍高達(dá)新鮮吸附劑吸附量的93%。通過(guò)XPS和FTIR技術(shù)解析吸附機(jī)理,證明該復(fù)合材料表面的S,N原子作為吸附位點(diǎn)與Hg2+形成配位鍵,從而將其從廢水中脫除。
Shan等[31]合成了聚乙烯基咪唑寡聚體改性的Fe3O4-SiO2磁性納米顆粒。研究表明,該復(fù)合材料對(duì)Hg2+有很強(qiáng)的吸附能力,飽和吸附量達(dá)346 mg/g(pH=7,25 ℃)。經(jīng)XPS分析發(fā)現(xiàn),Hg2+的吸附主要?dú)w因于咪唑環(huán)上的N與Hg2+的結(jié)合。吸附Hg2+后的復(fù)合材料經(jīng)10 min的鹽酸洗脫即可再生,經(jīng)5次吸附脫附循環(huán)后該吸附劑對(duì)Hg2+的去除率仍高達(dá)94%。
除與磁性Fe3O4復(fù)合外,研究人員還嘗試將介孔硅材料與其他無(wú)機(jī)材料復(fù)合。例如,Arshadi等[32]以SiO2-Al2O3納米顆粒為基底,首先對(duì)其進(jìn)行氨基改性,然后負(fù)載上氰脲酰氯,再用半胱氨酸甲基酯修飾,最終形成了一種樹(shù)狀復(fù)合物。該樹(shù)狀復(fù)合物對(duì)多種重金屬離子(Hg2+,Pb2+,Cu2+,Zn2+,Cd2+,Mn2+)均有吸附性,特別是對(duì)Hg2+表現(xiàn)出良好的選擇性吸附。吸附Hg2+時(shí)可快速達(dá)到平衡,在吸附時(shí)間為45 min時(shí)吸附量可達(dá)3079 mg/g。吸附劑吸附Hg2+后可經(jīng)EDTA和鹽酸洗脫后干燥再生,從而循環(huán)利用,循環(huán)12次后Hg2+的去除率仍高達(dá)90%。該樹(shù)狀復(fù)合物對(duì)Hg2+的高選擇性應(yīng)歸功于其表面的眾多配位基團(tuán)(—NH、—SH等)。因此,如何在硅膠材料表面引入與Hg2+產(chǎn)生強(qiáng)烈作用的功能基團(tuán)是改性的關(guān)鍵。
大氣中的汞污染主要來(lái)源是燃煤電站,我國(guó)2011年頒布的GB 13223—2011《火電廠(chǎng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[33]中嚴(yán)格規(guī)定,自2015年1月1日起電廠(chǎng)汞及其化合物濃度排放限值為0.03 mg/m3。燃煤煙氣中的汞主要以顆粒汞、氣態(tài)二價(jià)汞和單質(zhì)汞3種形式存在[34]。氣態(tài)二價(jià)汞易溶于水,可在濕法洗滌過(guò)程中被脫除;顆粒汞可在除塵裝置中被捕獲脫除;但單質(zhì)汞化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,可在大氣中長(zhǎng)距離傳輸,部分可停留1~2 a,是最難脫除的形態(tài)。因此,氣態(tài)單質(zhì)汞的脫除是煙氣污染處理的重點(diǎn)和難點(diǎn)[35-36]。目前,吸附劑噴射是燃煤電廠(chǎng)的有效汞處理方法,主要是利用多孔性固態(tài)物質(zhì)的吸附作用來(lái)處理污染物。
Ji等[37]用3-巰丙基三甲氧基硅烷修飾硅膠,基于螯合作用吸附煙氣中的汞,結(jié)果表明,螯合吸附氣態(tài)汞的容量遠(yuǎn)大于普通的活性碳吸附材料。Abu-Daabes等[38]將半胱氨酸、3-巰丙基三甲氧基硅烷固定于SiO2上制備出新型氣相螯合吸附劑。該氣相螯合吸附劑可以移除燃煤煙氣中的汞蒸氣;同時(shí)考察了該吸附劑的熱穩(wěn)定性,表明在135 ℃時(shí)該吸附劑的各種性質(zhì)仍穩(wěn)定,可直接用于脫除煙道氣中的汞;該吸附劑的理論脫汞能力為12~33 mg/g。
Meeks等[39]利用雙-[3-(三乙氧基硅)丙基]-四硫化物對(duì)多孔硅進(jìn)行改性,得到的巰基功能化硅材料對(duì)氣態(tài)汞的吸附容量為160 μg/g。Meyer等[40]采用硫酸銅摻雜和雙-[3-(三乙氧基硅)丙基]-四硫化物硅烷化的方法合成了擁有Cu-S位點(diǎn)的硅膠基吸附劑,可于140 ℃的環(huán)境中捕獲氣態(tài)汞;實(shí)驗(yàn)?zāi)M的固定床最大吸附容量可達(dá)19789 μg/g,且吸附速率隨入口氣體濃度的增加而加快;在SO3存在環(huán)境中的吸附劑噴射測(cè)試表明,相比于活性炭類(lèi)吸附劑,該吸附劑受SO3影響較小,仍保持較高的吸附性能。
硅膠除了直接作為吸附劑之外,還可以作為載體與功能材料復(fù)合。例如,Li等[41]將高比表面積的硅膠和具有光催化性能的TiO2經(jīng)溶膠凝膠法合成出新型納米復(fù)合物SiO2-TiO2,在紫外光照射下可高效捕獲煙氣中的單質(zhì)汞;研究發(fā)現(xiàn),煙氣中的HCl和SO2能促進(jìn)單質(zhì)汞的氧化和捕獲,而H2O和NO會(huì)阻礙脫汞效率的提高。該研究團(tuán)隊(duì)又以三異丙醇氧釩作為V2O5的前體,與硅膠、TiO2通過(guò)溶膠凝膠法合成了SiO2/V2O5/TiO2催化劑。由于V2O5的引入,該催化劑不需要紫外光的激活即可高效氧化單質(zhì)汞,進(jìn)而從煙氣中將其脫除[42]。
由于煙氣溫度較高且氣體成分復(fù)雜、各種雜質(zhì)較多,對(duì)吸附劑熱穩(wěn)定性、活性等各種性質(zhì)要求較高,使得氣相汞的脫除難度遠(yuǎn)大于液相汞,而目前關(guān)于改性硅膠復(fù)合材料捕獲煙氣中汞的研究還相對(duì)較少。
在硅膠復(fù)合材料對(duì)重金屬汞的吸附分離領(lǐng)域,目前的研究集中在合成硅膠基復(fù)合材料以及考察其吸附性能方面,缺乏對(duì)改性硅膠吸附汞作用機(jī)理的深入探討。此外,不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的功能基團(tuán)對(duì)汞吸附能力的影響也需深入分析,才能得以?xún)?yōu)化完善此類(lèi)吸附材料。
隨著人們環(huán)保意識(shí)的逐漸增強(qiáng),燃煤煙氣中汞污染的處理已成為大氣污染治理亟待解決的問(wèn)題之一。目前用于吸附脫除氣相汞的研究還較少,并且煙氣汞的螯合吸附劑結(jié)構(gòu)配位點(diǎn)單一,熱穩(wěn)定性不高,在煙氣溫度下脫汞效率低,導(dǎo)致其在煙氣脫汞方面的應(yīng)用受到限制。
筆者認(rèn)為,提高氣相汞脫除效率的關(guān)鍵是優(yōu)化功能基團(tuán)以及其與硅膠之間的連接臂結(jié)構(gòu),從而提高改性硅膠的熱穩(wěn)定性和吸附能力??梢赃x擇含有多種配位原子的基團(tuán),如巰基吡啶、二硫代氨基甲酸衍生物、亞胺基二乙酸、席夫堿以及長(zhǎng)鏈多胺基團(tuán),通過(guò)提高配位點(diǎn)的種類(lèi)、數(shù)目來(lái)提高吸附量。同時(shí),還可以對(duì)硅膠基底材料加以?xún)?yōu)化,增加其比表面積,優(yōu)化合成工藝以提高接枝基團(tuán)的收率。
總之,研制出高效、高選擇性、高穩(wěn)定性、易回收的汞吸附劑是治理工業(yè)廢水和燃煤煙氣中汞污染的關(guān)鍵。
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