大型仪器在水处理吸附方面中的应用张译丹 大型仪器在水处理吸附方面中的应用 张译丹 （重庆市巴南区环境监测站，重庆４０１３２０） 摘要：吸附研究包括两个方面：吸附材料制备表征及吸附材料的应用。在研究吸附材料方面ＢＥＴ，ＸＲＤ，扫描电镜等仪器有 广泛的用途，在应用方面，研究吸附机理时红外光谱可分析吸附剂与吸附质结合状态，研究吸附质浓度变化时原子荧光分析仪， 原子吸收ＩＣＰ等可分析污水中重金属的含量。ＧＣ－ＭＳ联用技术可用于水体污染物的检测。这些仪器都在吸附方面有着很多 的用途。 关键词：水处理；吸附；大型仪器 中图分类号：Ｘ７０３ 文献标识码：Ａ １导论 当流体与多孑Ｌ固体接触时，流体中某一组分或多个组分在固 体表面处产生积蓄，此现象称为吸附。吸附属于一种传质过程， 物质内部的分子和周围分子有互相吸引的引力，但物质表面的分 子，其中相对物质外部的作用力没有充分发挥，所以液体或固体 物质的表面可以吸附其他的液体或气体，尤其是表面面积很大的 情况下，这种吸附力能产生很大的作用，所以工业上经常利用大 面积的物质进行吸附，如活性炭、水膜等。 吸附剂制备后要考察吸附剂的各项指标，比如比表面积，孑Ｌ 径分布（微孔，介孔等的分布），活性基团等，这个：过程要使用 到大型仪器，在吸附过程中，对吸附质的测定也会用到大型仪器， 比如对重金属砷的测定要用到原子荧光光度计，对其他重金属的 测定还有可能用到原子吸收分光光度计，ＩＣＰ等。在探讨机理方面， 比如说结合状态，就要用到红外光谱来分析，在本文中就各种大 型仪器在吸附方面的应用进行探讨。 １．１孔径及比表面积测定仪 活性炭具有较好的吸附性能，原因就是具有较大的表面积。 因此考察孔径及比表面是考察吸附剂吸附性能的一个重要的指 标。在吸附剂内，孔的形状极不规则，孑Ｌ隙大小也各； 相同。直 径在数埃至数十埃的孑Ｌ称为细孑Ｌ，直径在数百埃以上的孔称为粗 孑Ｌ。细孔愈多，则孔容愈大，比表面也大，有利于吸附质的吸附。 粗孔的作用是提供吸附质分子进入吸附剂的通路。粗孔和细孔的 关系就象大街和小巷一样，外来分子通过粗孔才能迅速到达吸附 剂的深处。所以粗孔也应占有适当的比例。活性炭和硅胶之类的 吸附剂中粗孑Ｌ和细孑Ｌ是在制造过程中形成的。沸石分子筛在合成 时形成直径为数微米的晶体，其中只有均匀的细孑Ｌ，成型时才形 成晶体与晶体之间的粗孔。比表面积：即单位重量吸附剂所具有 的表面积，常用单位是ｍ ／ｇ。吸附剂表面积每克有数百至千余平 方米。吸附剂的表面积主要是微孔孑Ｌ壁的表面，吸附剂外表面是 很小的。制备出的吸附剂首先就要对其进行比表面的测定，初步 判断吸附效果。在多篇文献中Ⅲ曾对制备出的吸附剂进行比表面 积的测定。 １．２ ＳＥＭ和能谱分析在吸附剂方面的应用 与光学显微镜及透射电镜相比，扫描电镜具有以下特 点： （１）能够直接观察样品表面的结构，样品的尺寸可大至 １２０ｍｍ×８０ｍｍ Ｘ ５０ｍｍ。（２）样品制备过程简单，不用切成薄片。 （３）样品可以在样品室中作三度空间的平移和旋转，因此，可 以从各种角度对样品进行观察。（４）景深大，图象富有立体感。 扫描电镜的景深较光学显微镜大几百倍，比透射电镜大几十倍。（５） 图象的放大范围广，分辨率也比较高。可放大十几倍到几十万倍， 文章编号：１００７—０３７０（２０１ １）０５—０１７９—０２ 它基本上包括了从放大镜、光学显微镜直到透射电镜的放大范围。 分辨率介于光学显微镜与透射电镜之间，可达３ｒｉｍ。（６）电子 束对样品的损伤与污染程度较小。 （７）在观察形貌的同时，还 可利用从样品发出的其他信号作微区成分分析。这些特点就决定 了扫描电镜应用的广泛性。制备出的吸附剂或经表面改性后的 吸附剂要观察其表面的性质或表面的变化就需要ＳＥＭ来进行分 析，ＦａｎｇｆａｎｇＣｈａｎｇ【２ 等人在研究吸附剂负载铁锰前后硅藻土表 面及成分时，用到ＳＥＭ来观察表面变化，用扫描电镜能谱分析 来说明铁锰负载量的多少。ＧａｏｓｈｅｎｇＺｈａｎｇ［３１等人对制备的铁锰 吸附剂进行表征时用到了ＳＥＭ，在测定含量时用到了扫描电镜 能谱分析。张功泉 采用溶液浸渍一加热法制备栽铁颗粒括性炭 （ＩＯＣＧＡＣ），并通过ＳＥＭ／ＥＤＡＸ进行表征。岳钦艳 等人在酸 化污泥膨润土的颗粒化制备中利用扫描电镜对原土颗粒和酸化颗 粒进行表征。来说明，污泥膨润土颗粒由于污泥所含有机物的燃 烧导致颗粒表面产生大量孑Ｌ隙且凹凸不平；而酸化后表面孔隙有 所增加。 １．３红外在探讨吸附机理方面的应用 利用红外光谱对物质分子进行的分析和鉴定。将一束不同 波长的红外射线照射到物质的分子上，某些特定波长的红外射 线被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱。每种分子都有由其 组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，据此可以对分子进行 结构分析和鉴定。红外吸收光谱是由分子不停地作振动和转动 运动而产生的，分子振动是指分子中各原子在平衡位置附近作 相对运动，多原子分子可组成多种振动图形。当分子中各原子 以同一频率、同一相位在平衡位置附近作简谐振动时，这种振 动方式称简正振动（例如伸缩振动和变角振动）。分子振动的 能量与红外射线的光量子能量正好对应，因此当分子的振动状 态改变时，就可以发射红外光谱，也可以因红外辐射激发分子 而振动而产生红外吸收光谱。分子的振动和转动的能量不是连 续而是量子化的。但由于在分子的振动跃迁过程中也常常伴随 转动跃迁，使振动光谱呈带状。所以分子的红外光谱属带状光 谱。分子越大，红外谱带也越多。姚士芹【６ｌ等人对合成的季铵 型纤维素（ＱＡＣＣ）进行红外光谱分析，用溴化压片法对ＱＡＣＣ 进行了红外光谱分析确定制得目标产物。 张晓玲州等人在研究用高岭石吸附有机分子偶氮苯时同样运 用红外来分析。红外光谱的结果表明，偶氮苯吸附到高岭石的硅 氧烷表面。 １．４ ＸＲＤ在判断晶体结构及成分中的应用 ＸＲＤ（ｘ射线衍射）是目前研究晶体结构（如原子或离子 及其基团的种类和位置分布，晶胞形状和大小等）最有力的方 ＮＯＲＴＨＥＲＮ ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴ １ ７９ 北方环境第２３卷第５期２０１１年５月 １．６ ＧＣ—ＭＳ联用技术在水体污染物检测中的应用 气相色谱和质谱连接起来已有三十多年的历史，气质联用（ＧＣ ＭＳ）技术已被广泛地应用于复杂组分的分离和鉴定。水环境中 的污染物多以微量、痕量、超痕量存在，并且受着复杂环境因素 的影响，这些污染物多以不同的形态存在，不同的形态具有不同 的理化性质和毒性，单一分析仪器很难对这些复杂的环境样品进 行有效的分析，所以ＧＣ—ＭＳ联用技术也被人们广泛地应用于水 质的检测［１３１０含有多种污染物的水体在用吸附剂吸附后的由于其 含量少可用ＧＣ—ＭＳ联用技术来进行测定。 —法。ＸＲＤ特别适用于晶态物质的物相分析。晶态物质组成元素 或基团如不相同或其结构有差异，它们的衍射谱图在衍射峰数 目、角度位置、相对强度次序以至衍射峰的形状上就显现出差异。 因此，通过样品的ｘ射线衍射图与已知的晶态物质的ｘ射线衍 射谱图的对比分析便可以完成样品物相组成和结构的定性鉴定； 通过对样品衍射强度数据的分析计算，可以完成样品物相组成 的定量分析；ＸＲＤ还可以测定材料中晶粒的大小或其排布取向 （材料的织构），应用面十分普遍、广泛。张生辉 等人在研 究苯甲酰胺对高岭石插层的ＦＴＩＲ和ＸＲＤ研究中使用到了红外 和ＸＲＤ。说明原高岭石层问氢键的损失及与苯甲酰胺分子之间 氢键的形成，以丙酮作为洗涤剂可以消除表面吸附和残余的甲 酰胺晶体而不影响复合物的结构。张东等 人用柠檬酸络合溶 胶一凝胶法制备了纳米钛酸钙粉体。以ｘ射线衍射（ＸＲＤ）、 透射电子显微镜（ＴＥＭ）和傅立叶变换红外光谱（ＦＴＩＲ）对其 进行了表征。ＭＩＮＪＡＮＧＩ１ 等人制备出活性炭负载铁的吸附剂， 然后利用ＸＲＤ对负载前和负载后的炭进行对比，来确定铁离子 存在的状态。 １．５大型仪器在废水中重金属的测定 原子吸收光谱仪是分析化学领域中一种极其重要的分析方 法，原子吸收光谱法是利用被测元素的基态原子特征辐射线的吸 收程度进行定量分析的方法。既可进行某些常量组分测定，又 能进行ｐｐｍ、ｐｐｂ级微量测定，可进行钢铁中低含量的ｃｒ、Ｎｉ、 Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｃａ、Ｍｇ、Ａｌｓ、Ｃｄ、Ｐｂ、Ａｄ；原材料、铁合金中的 Ｋ ０、Ｎａ ０、ＭｇＯ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂａ、Ｃａ等元素分析及一些纯金 属（如Ａｌ、ｃｕ）中残余元素的检测。电感耦合等离子光谱发生仪 些偶氮染料用于纺织品和其它材料会产生胺类致癌物，这 类物质从两个途径危害健康：一是消费者直接接触产品，二是印 染厂产生的废水及污泥对环境水的污染。Ｌｉｎｄａ Ｄｏｈｅｒｔｙ１“ 使用优 一化后ＧＣ／ＭＳ系统可以灵活地适应２０种被禁止胺类高含量和痕迹 量浓度的检测，使用脉冲不分流进样和质谱的ＳＩＭ模式检测方法， 其检测限（ＬＯＤ）是５ｒｉｇ・ｍｌ （ｐｐｂ），痕迹量测定符合环境检 测灵敏度的要求。 ２展望 随着大型仪器朝着更加智能化，微型化，多功能化的发展， 可实现对水中多种污染物同步检测的仪器也会随之诞生，在吸附 方面探索及应用也会越来越广泛，越来越显重要。 参考文献 ［１］张功泉．载铁颗粒活性炭（ＩＯＣＧＡＣ）去除废水中Ｃｒ（ＶＩ）的 研究［Ｊ］．科技情报开发与经济，２００９，１９（１７）． ［２】岳钦艳，原爱娟，李倩，贾洪玉，高宝玉，国新毅，李静，于 Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ【ＩＣＰ）。电感耦合 慧．酸化污泥膨润土的颗粒化制备［Ｊ］．过程工程学报，２０００，８（６）． 等离子体（ＩＣＰ）是目前用于原子发射光谱的主要光源。ＩＣＰ具有 ［３］姚士芹，施文健，陈肖云，俞芸，杨琴淋．季铵型纤维素的 环形结构温度高电子密度高惰性气氛等特点，用它做激发光源具 红外光谱及对持久性有机污染物的吸附特征叨．光谱学与光谱分析，有检出限低线性范围广电离和化学干扰少准确度和精密度高等分 ２９（９）． 析性能。ＳａｍｅｅｒＡｌ—Ａｓｈｅｈ【ｌ 等人在研究用鸡毛去除水中的重金属 ［４１张晓玲，洪汉烈，阂新民，侯一俊，卢炼．有机分子偶氮苯 Ｊ］．分子科学学报，２５（１）． 时采用的就是ＩＣＰ。ＬｅＺｅｎ￣” 在研究用硅氧复合物来去除水中的 在高岭石表面吸附研究【砷时，测定水中重金属砷的浓度采用了ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ 收稿日期：２０１１－０４—０６ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ（ＩＣＰ—ＭＳ），出水溶液中的铁和硅的含量同样采 作者简介：张译丹（１９７４一），女，工程师，研究方向：环境保 用了ＩＣＰ—ＭＳ这种方法进行测定。 护． （上接第１７７页） 由实验结果可知，当ＰＡＣ，磁粉，ＰＡＭ的用量分别为６ｇ／Ｌ、４ｇ／Ｌ、 率达到较好的效果。 ０．０１３ｇ／Ｌ时，对总磷的去除效果达到最好，可以达到８１．６３％；当 ＰＡＣ、磁粉、ＰＡＭ的用量分别为５．５ｇｅＬ、４ｇ／Ｌ、０．０１ｌｇ／Ｌ时，对总 参考文献 氮的处理效果达到最好，可达到５１．３９％。当ＰＡＣ、磁粉、ＰＡＭ的 ［１】郑曼英，李丽桃．垃圾渗滤液的污染特性及其控制［Ｊ１．环境 用量分别为６ｇ／Ｌ、４．５ｇ／Ｌ、０．Ｏ１ ｌｇ／Ｌ时，总氮总磷的综合去除率达 卫生工程，１９９７，（２）：７一ｌ１． 到较好的效果。 ［２】周勉，倪明亮．磁分离技术在水处理工程中的应用工艺及 发展趋势［Ｊ】．水工业市场技术与应用，２００９，８：４８—５３． ３结论 （１）通过投加磁载体和凝聚剂、絮凝剂进行磁絮凝反应用于 【３】梅滨，王晓兰．磁分离技术在我国废水处理中的研究进展 渗滤液预处理不仅可行的，而且预处理处理效果明显优于常规絮 ［Ｊ】．四川Ｉ环境，２００３，２２（３）：４—７． 凝工艺。 【４】常青．水处理絮凝学 ．北京：化学工业出版社，２００３：５０－５９． （２）当垃圾渗滤液的总氮含量在２９．４８９ｍｇ／Ｌ左右，总磷 含量在８．６７１ｍｇ／Ｌ左右时，加入ＰＡＣ，磁粉，ＰＡＭ的用量分别 收稿１５１期：２０１１－０４－１８ 为６￣Ｌ，４￣Ｌ，０．０１３ｇ／Ｌ时，对总磷的去除效果达到最好，可以达到 作者简介：孙利北（１９８９一），女，本科在读，研究方向： ８１．６３％加入ＰＡＣ，磁粉，ＰＡＭ的用量分别为５．５ｅｌＬ，４ｇ／Ｌ，０．Ｏ１ｌｇ／Ｌ时， 污水处理． 对总氮的处理效果达到最好，可达到５１．３９％；加入ＰＡＣ，磁粉， ＰＡＭ的用量分别为６ｇ／Ｌ，４．５ｇ／Ｌ，０．Ｏ１ｌｇ／Ｌ时，总氮总磷的综合去除 １ ８０ ＮＯＲＴＨＥＲＮ ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴ
