滑石吸附汽車尾氣中重金屬的方法研究

吳優，王瑩，劉佳寧，李文翠，姜楠，紀博睿，付玉，呂勇

(沈陽師范大學 化學化工學院，遼寧 沈陽 110034)

重金屬是大氣主要污染成分之一，對人類健康有極大的威脅。汽車尾氣中重金屬濃度雖低，可無奈汽車基數龐大，使其仍對環境有巨大影響。因此，去除汽車尾氣中重金屬對人類有著重大的意義[1-2]。

現階段滑石價格低廉[3-4]，性質穩定，吸附力強[5]，可作為吸附劑。國內外對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，造價太高，無法實現普及[10]。

本文采用滑石粉在汽車怠速狀態下吸附尾氣中重金屬，使用多種方法消解滑石粉，以ICP-MS法測定重金屬的含量，對其吸附效果進行評價[11-14]。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

滑石粉、活性炭過濾棉均為工業級；硝酸、氫氟酸、鹽酸均為優級純。

7900型電感耦合等離子體質譜儀；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 實驗方法

圓柱形紙筒內充入5.0 g滑石粉和活性炭過濾棉，兩端用濾網封住，在汽車怠速狀態下，將裝置安裝在汽車排氣筒口，進行尾氣過濾(日產天籟汽車，排氣量2.0 L)。過濾尾氣后的滑石粉0.100 0 g(平行3次)采用不同方法進行消解，利用電感耦合等離子體質譜儀進行分析，吸附后與吸附前差值，即為吸附量。因為無法直接測定尾氣中重金屬的含量，本研究采用將汽車尾氣直接通入硝酸的方法，用硝酸相同時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 結果與討論

2.1 滑石粉的消解方法

滑石化學成分比較穩定，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滑石粉進行消解，結果見表1。

表1 滑石粉不同方法消解效果

注：-為未加入。

由表1可知，簡單增加HF加入量和消解時間(實驗 1、實驗 2)無法完全消解，由于滑石粉的穩定結構以及大量SiO2沒有完全溶解，增加預消解過程，且不斷增加加酸量(實驗3～實驗 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充分反應后加熱，使其完全蒸發，使SiO2完全反應生成SiF4氣體并離開體系，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(實驗7、實驗 8)。

2.2 滑石粉對汽車尾氣中重金屬吸附性

按3因素3水平(見表 2)安排實驗，Ba吸附量為評價指標，結果見表 3。

表2 因素與水平

注：+為有活性炭過濾棉，-為無活性炭過濾棉。

表3 實驗結果

由表3可知，對吸附的影響B>A≈C，最佳吸附條件為A2B3C2，即滑石粉5 g，吸附時間10 min，有活性炭過濾棉。對此條件進行驗證實驗，結果見表 4。

表4 滑石粉對各元素的吸附量和吸附率

由表4可知，在滑石與活性炭過濾棉的共同作用下，裝置對汽車尾氣中重金屬有一定的吸附性。其中對鋅吸附效果最佳，10 min每克滑石可吸附15.21 μg，吸附率73.16%；對于汽油中最常見的重金屬鉛，每克滑石可吸附0.87 μg。滑石也可吸附鋇，每克滑石可吸附11.59 μg，吸附率為63.85%，可能是汽車尾氣中含有鋇的量相對較多。滑石對鉻也有一定的吸附能力，每克滑石10 min可吸附8.81 μg。鎳和銅雖然對人體近乎無毒，但在工業上被列為重金屬。每克滑石10 min對鎳的吸附量為5.91 μg，對銅的吸附量為2.06 μg，吸附效果良好。滑石對鎘的吸附效果非常微弱，每克滑石10 min對其的吸附量僅為0.03 μg，吸附效果不佳。

2.3 方法的檢測限

檢測限一般指重復10次測定空白樣品得到的標準偏差的3倍。測定前，建立對各元素的標準曲線，各元素的相關系數和檢測限見表 5。

表5 相關系數和檢出限

由表 5可知，各元素的檢測限在0.004 0～ 0.383 0 μg/L之間，相關系數均在0.999 5～1.000 0 之間，線性關系良好。

3 結論

在汽車怠速狀態下，滑石粉吸附汽車中重金屬的最佳吸附條件為：滑石粉5 g，吸附時間10 min，有活性炭過濾棉。在此條件下，滑石粉對汽車尾氣中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。滑石可作為汽車尾氣吸附劑。