浅谈大气监测吸附剂的研究应用

摘要：本文综述了近年来运用于大气监测中的吸附剂的研究现状及进展，对几种常用的吸附剂材料进行了机理分析，并对未来的研究方向进行了展望。

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：

[1]周春何，卢晗锋，曾立，等.沸石分子筛和活性炭吸附/脱附甲苯性能对比[J].环境污染与防治，2009，31（4）：38-41.

[2]黄正宏，康飞字，梁开明，等.氧化处理ACF对VOC的吸附及其等温线的拟合[J].清华大学学报（自然科学版），2002，42（10）：128-129.

[3]李明利，梁辉，徐明仗，等.改进草酸盐共沉淀法制备钛酸锶钡粉体[J].硅酸盐学报，2009，37（1）：83-86.

[4]RAZAK K A， ASADOV A， GAO W. Phase content and dielectrical properties of sintered BaSrTiO3ceramics prepared by a high tempera-ture hydrothermal technique [J]. Ceram Int， 2009， 35（7）： 2781-2787.

[5]张东，苏会东，高虹.钛酸锶钡纳米粉体的制备及其对铬（Ⅳ）和铬（Ⅲ）吸附性能[J].冶金分析，2007，24（4）：7-10.

作者简介：刘磊（1986-），男，四川南江人，现为助理工程师，研究方向：环境科学与工程。