介孔分子篩在改善環境方面的研究進展

陳鵬　潘健民　周雅菲

【摘 要】 為了研究介孔分子篩在環保方面的應用及研究進展，綜述了介孔分子篩的類型及各自在環保方面的應用。結果表明，介孔分子篩主要包括硅基介孔分子篩、改性硅基介孔分子篩、非硅基介孔分子篩三大類，它們在選擇性吸附氣體、催化反應以及處理染料廢水方面有重要應用，可以代替傳統的反應材料，從而對環境起到更好的凈化作用。

【關鍵詞】 介孔分子篩 吸附 催化 廢水

自從1992年以M41S為代表的介孔分子篩[1]合成以來，目前已得到科學家的廣泛關注，從合成方法、表征手段等方面進行了深入研究，使其以較快的發展速度廣泛應用于吸附、分離、催化等領域。本文主要介紹MCM-41、MCM-48、SBA-15、FSM-16等幾種對環保方面有重要作用的介孔分子篩，同時分析說明各種類型的分子篩的應用前景和發展方向。

1 MCM-41型介孔分子篩

MCM-41型分子篩具有規整的孔道結構、孔徑分布狹窄（2～10rim）、孔容大和比表面積高等特點，有利于大分子在其孔道內的有效擴散。[2]因此，MCM-41型分子篩可以對有害氣體、廢水中的重金屬離子進行有效吸附，同時還具有很高的光催化性能。值得關注的是，純態MCM-41的催化和吸附作用和改性后的MCM-41會有較大的差異性，因此，國內很多科研人員致力于在原有的合成MCM-41的方法上，通過改變MCM-41孔徑、添加雜原子等方法，提升MCM-41的吸附、分離、催化性能。

1.1 吸附作用

純態的MCM-41對Cd2+的吸附作用受一些客觀條件的限制。楊靜等[3]分別在堿性條件（NaOH）、四乙基氫氧化銨、酸性條件（HCL）下合成了MCM-41-N、MCM-41-T、MCM-41-H三種MCM-41分子篩，發現MCM-41-H的分子篩孔徑最大。同時他們還研究了三種材料用料相同的情況下，溶液的PH值對三種材料吸附Cd2+的影響。結果表明，溶液的PH值和分子篩的孔徑越大，對Cd2+的吸附效果越好。

改性的MCM-41介孔分子篩對于特定的雜原子有良好的吸附作用。由于其具有發達的孔結構和大的比表面，可以用來吸附磷等有機物。龍俞霖等[4]研究錨定的金屬離子-螯合物的介孔分子篩，結果發現，比表面積大的分子篩能夠負載更多的螯合物，導致更多的金屬陽離子能夠在分子篩上錨定，具有非常良好的吸附磷能力，吸附速率快，吸附容量很大。這在一定程度上說明了改性分子篩的特殊吸附能力。

1.2 光催化性能

光催化降解技術可在常溫常壓條件下徹底地將有機污染物礦化為二氧化碳和水，避免了產生毒性中間體和環境二次污染的問題。[5]光催化劑一般采用TiO2、CdS、SnO、ZnO或ZnS等n型納米半導體材料，其中TiO2由于物理化學性質穩定、光催化活性強、無毒、價廉等優點成為研究的首選。[6]王剛等[7]在超臨界二氧化碳（SC—CO2）溶媒中，以鈦酸四丁酯為前驅體，利用超臨界溶媒的高傳質性能將鈦的前驅體運送到硅基分子篩MCM一41的內壁，合成了TiO2-MCM-41介孔分子篩催化劑。使用合成的材料對甲基橙模擬污水進行了脫色測試.其脫色效果隨催化劑用量，照射時間及pH變化而變化。在比較理想的條件下，可以達到完全脫色的效果。此方法操作簡潔，光催化性能優異，對工業廢水有很好的處理效果。

2 SBA-15型分子篩

氨氮廢水現在作為生活、工業排放的廢水，傳統工藝脫氮效果較好，但存在流程長，反應器大，占地多，能耗大，再生困難，費用高等問題。

乙腈是一種揮發性氣體，一旦大量排放到空氣中就會對人畜造成傷害。曹宇[8]等在合成SBA-15純分子篩的基礎上，通過Cu、Mo等金屬的負載，發現Cu-SBA-15催化劑表現出優良的催化活性和選擇性，在200—700℃溫度范圍內，脫除含氰廢氣可達約100%，反應后的目標氣體N2產率可達80%左右，CO2幾乎為唯一含碳產物，很好地達到了催化凈化含氰廢氣的目的。

3 MCM-48型分子篩

目前，偶氮染料的生產在染料中占80%以上，已成為我國印染工業使用的最主要的染料。這類染料在生產和應用過程中嚴重污染環境，其廢水的組成復雜、COD濃度高、色度深，長期以來都是污水治理的重點和難點[9]。針對此類染料廢水，使用零價鐵降解有害物質，破壞生色集團十分有效，但COD去除率不高[10]-[11]。潘健民[12]等用MCM-48介孔分子篩與零價鐵協同處理偶氮染料廢水，強化和去除了部分COD，使得染料廢水的處理效率進一步提升。

另外，聶平英[13]等采用水熱晶化法及碳化進一步合成了不同鎢含量的WxC-MCM-48，并用噻吩作為模型化合物對其加氫脫硫催化性能進行了檢驗，結果表明，W含量較高的WxC-MCM-48具有良好的催化脫硫性能。

4 FSM-16型分子篩

苯酚是一種重要的有機化工原料。但合成苯酚的傳統方法異丙苯法[14]卻會對環境造成污染，H2O2是一種清潔、無污染的物質，同時其化學反應溫和。高肖漢等[15]利用金屬改性的FSM-16型分子篩研究了其催化性能。結果發現：用釩改性的分子篩催化反應的性能最好，苯酚的選擇性極高。這對于直接催化氧化苯合成苯酚的研究起到了重要的推進作用。

5 結語

現階段，國家對于環境方面的問題越來越重視，對各種標準的要求逐漸提高，一個“最大限度減少污染物的排放，引領綠色化學”的時代是人們的美好愿望。介孔分子篩由于具有高度有序的孔道結構，較大的比表面積，同時合成步驟簡單，有的甚至可以重復利用。這些優勢使得介孔分子篩成為環境保護方面的新興力量。相信在不久的將來，介孔分子篩可以真正成為減少環境污染的中堅力量。

參考文獻：

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