滑石吸附汽車(chē)尾氣中重金屬的方法研究

吳優(yōu)，王瑩，劉佳寧，李文翠，姜楠，紀(jì)博睿，付玉，呂勇

(沈陽(yáng)師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110034)

重金屬是大氣主要污染成分之一，對(duì)人類健康有極大的威脅。汽車(chē)尾氣中重金屬濃度雖低，可無(wú)奈汽車(chē)基數(shù)龐大，使其仍對(duì)環(huán)境有巨大影響。因此，去除汽車(chē)尾氣中重金屬對(duì)人類有著重大的意義[1-2]。

現(xiàn)階段滑石價(jià)格低廉[3-4]，性質(zhì)穩(wěn)定，吸附力強(qiáng)[5]，可作為吸附劑。國(guó)內(nèi)外對(duì)于氣體中重金屬的去除的研究很少[6-9]。王金玉等用石墨烯吸附尾氣中重金屬，造價(jià)太高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)普及[10]。

本文采用滑石粉在汽車(chē)怠速狀態(tài)下吸附尾氣中重金屬，使用多種方法消解滑石粉，以ICP-MS法測(cè)定重金屬的含量，對(duì)其吸附效果進(jìn)行評(píng)價(jià)[11-14]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

滑石粉、活性炭過(guò)濾棉均為工業(yè)級(jí)；硝酸、氫氟酸、鹽酸均為優(yōu)級(jí)純。

7900型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀；10200 A-TYPE超聲清洗器；Airum611di超純水器；Multiwave Pro 微波消解儀；Ultima Ⅳ X射線衍射儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

圓柱形紙筒內(nèi)充入5.0 g滑石粉和活性炭過(guò)濾棉，兩端用濾網(wǎng)封住，在汽車(chē)怠速狀態(tài)下，將裝置安裝在汽車(chē)排氣筒口，進(jìn)行尾氣過(guò)濾(日產(chǎn)天籟汽車(chē)，排氣量2.0 L)。過(guò)濾尾氣后的滑石粉0.100 0 g(平行3次)采用不同方法進(jìn)行消解，利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀進(jìn)行分析，吸附后與吸附前差值，即為吸附量。因?yàn)闊o(wú)法直接測(cè)定尾氣中重金屬的含量，本研究采用將汽車(chē)尾氣直接通入硝酸的方法，用硝酸相同時(shí)間吸收尾氣中重金屬的量作為尾氣中重金屬的參考總量，得到各元素的吸附率。

2 結(jié)果與討論

2.1 滑石粉的消解方法

滑石化學(xué)成分比較穩(wěn)定，其中含有大量的SiO2，因此很難被消解。使用不同的方法分別對(duì)滑石粉進(jìn)行消解，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 滑石粉不同方法消解效果

注：-為未加入。

由表1可知，簡(jiǎn)單增加HF加入量和消解時(shí)間(實(shí)驗(yàn) 1、實(shí)驗(yàn) 2)無(wú)法完全消解，由于滑石粉的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)以及大量SiO2沒(méi)有完全溶解，增加預(yù)消解過(guò)程，且不斷增加加酸量(實(shí)驗(yàn)3～實(shí)驗(yàn) 6)，也不能完全消解滑石粉，其中MgO容易被消解，則沉淀依然為SiO2。加入HF充分反應(yīng)后加熱，使其完全蒸發(fā)，使SiO2完全反應(yīng)生成SiF4氣體并離開(kāi)體系，加入3 mL HF就足夠消解0.1 g樣品，并添加5 mL HNO3和1 mL HCl，使其完全消解(實(shí)驗(yàn)7、實(shí)驗(yàn) 8)。

2.2 滑石粉對(duì)汽車(chē)尾氣中重金屬吸附性

按3因素3水平(見(jiàn)表 2)安排實(shí)驗(yàn)，Ba吸附量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表 3。

表2 因素與水平

注：+為有活性炭過(guò)濾棉，-為無(wú)活性炭過(guò)濾棉。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，對(duì)吸附的影響B(tài)>A≈C，最佳吸附條件為A2B3C2，即滑石粉5 g，吸附時(shí)間10 min，有活性炭過(guò)濾棉。對(duì)此條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表 4。

表4 滑石粉對(duì)各元素的吸附量和吸附率

由表4可知，在滑石與活性炭過(guò)濾棉的共同作用下，裝置對(duì)汽車(chē)尾氣中重金屬有一定的吸附性。其中對(duì)鋅吸附效果最佳，10 min每克滑石可吸附15.21 μg，吸附率73.16%；對(duì)于汽油中最常見(jiàn)的重金屬鉛，每克滑石可吸附0.87 μg?；部晌戒^，每克滑石可吸附11.59 μg，吸附率為63.85%，可能是汽車(chē)尾氣中含有鋇的量相對(duì)較多?；瘜?duì)鉻也有一定的吸附能力，每克滑石10 min可吸附8.81 μg。鎳和銅雖然對(duì)人體近乎無(wú)毒，但在工業(yè)上被列為重金屬。每克滑石10 min對(duì)鎳的吸附量為5.91 μg，對(duì)銅的吸附量為2.06 μg，吸附效果良好。滑石對(duì)鎘的吸附效果非常微弱，每克滑石10 min對(duì)其的吸附量?jī)H為0.03 μg，吸附效果不佳。

2.3 方法的檢測(cè)限

檢測(cè)限一般指重復(fù)10次測(cè)定空白樣品得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍。測(cè)定前，建立對(duì)各元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線，各元素的相關(guān)系數(shù)和檢測(cè)限見(jiàn)表 5。

表5 相關(guān)系數(shù)和檢出限

由表 5可知，各元素的檢測(cè)限在0.004 0～ 0.383 0 μg/L之間，相關(guān)系數(shù)均在0.999 5～1.000 0 之間，線性關(guān)系良好。

3 結(jié)論

在汽車(chē)怠速狀態(tài)下，滑石粉吸附汽車(chē)中重金屬的最佳吸附條件為：滑石粉5 g，吸附時(shí)間10 min，有活性炭過(guò)濾棉。在此條件下，滑石粉對(duì)汽車(chē)尾氣中Pb、Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Ba 7種元素的吸附量在0.03～15.21 μg/g之間，吸附率在5.02%～73.16%之間。滑石可作為汽車(chē)尾氣吸附劑。