前言汞因其毒性、挥发性、持久性和在环境中的生物积累性，已成为对全球生态环境和人类健康构成巨大威胁的污染物。
人为来源的汞包括工业燃烧，如燃煤、有色金属冶炼、废物焚烧炉和水泥生产。
汞及其化合物由人为和自然来源产生后，在大气中可以循环长达1年，因此它们可以广泛分布并通过气象活动传播到数千公里之外，然后通过气象活动转移到地表水和陆地。
汞主要以元素形式（Hg0）存在于大气中，可以被直接吸入。它还可以转化为二价汞（Hg2+），特别是甲基汞，通过水中水生生物的转化而在水中造成致命损害。
因此，寻找高效、低成本的吸附剂已成为热门研究课题。纳米材料由于其相对较大的比表面积和更多活性基团而具有比原始吸附剂更好的吸附性能，因此成为最有潜力的吸附剂研究方向。
在本文中，我们选择了NC（纳米陶瓷）作为一种新型吸附剂。NC是一种改性介孔硅材料，属于非碳基吸附剂。介孔硅材料具有较大的比表面积、良好的孔径和孔形，并在环境和工业过程中具有广泛的应用潜力。
实验与分析1.样品表征
使用N2吸附-脱附法对NC材料的比表面积（BET）和孔结构特性进行了测试，结果如下表所示。
NC材料的平均孔径为8.482 nm，属于介孔结构，比表面积为122.28 m2/g。根据常见吸附等温线的分类，NC的吸附等温线属于IV类，具有明显的滞后环。
对应于IV类吸附线的吸附机制如下：首先形成单层吸附，拐点表示单层的饱和，然后开始多层吸附，接着是毛细管凝结。
滞后环的起始点表示最小的毛细孔开始凝结，而滞后环的结束点表示最大的孔隙也被凝结液填满。（见下图）
通过X射线荧光光谱（XRF）测试得到的NC中主要氧化物类型和含量如下表所示。
这个材料样品是卡其色的。经过X射线衍射测试后，NC的主要组分是石英、白云石和翠绿石。
通过X射线衍射测试得到的相组成与X射线荧光光谱测试得到的氧化物类型之间的对比表明，实验中使用的NC主要由Si、Ca、Mg、Al等化合物组成，并可归类为非碳基吸附剂。
NC的傅里叶变换红外光谱（FTIR）谱图如下图所示。
吸附剂表面的功能团类型对其吸附性能有重要影响。我们对不同类型的活性炭以及不同方法改性的活性炭进行了汞吸附效果的研究。
一般认为，活性炭对汞的吸附效果取决于其表面上不同类型的活性位点。研究表明，活性炭表面的含氧功能团可为汞的吸附提供活性位点，在活性炭的汞吸附过程中起着重要作用。NC中含有的特征性功能团列于下表中。
吸附剂的微观结构通常被认为对吸附过程和机理有影响。纳米陶瓷的扫描电子显微镜图像如下图所示，经过10,000倍放大后，可以发现NC的表面具有明显的分层结构，表面均匀且颗粒较少分散。
2.汞浓度的影响
汞入口浓度对去除效率的影响如图6所示。汞浓度随着水浴温度的升高而增加。当水浴温度为40°C、50°C、60°C、70°C和80°C时，汞的入口浓度为205.2μg m−3， 223.9 微克 米−3， 269.4 微克 米−3， 314.4 微克 米−3和 332.2 μg m−3.吸附温度选择40–80°C，风速为1.5 L min−1，NC的质量为2g。
随着汞入口浓度的增加，NC对汞的去除率先增加后减少。这是因为实验中使用的NC量是一定的，因此吸附活性位点的数量是恒定的，而汞浓度也是恒定的。
吸附剂表面所需的吸附活性位点和空位数与吸附量成正比，而较高的Hg0浓度导致了NC中活性位点和吸附空间的相对减少，吸附竞争增加，从而导致吸附速率的降低和吸附性能的下降。
3.吸附床温度的影响
在实验中，通过改变加热带的温度和吸附剂所在区域的温度，研究了吸附床温度对汞去除效率的影响。由于四氟乙烯管的材料特性的影响，它不能加热到较高的温度。
因此，在本实验中选择了40-80°C的吸附床温度，气流速率为1.5 L/min，吸附剂质量为2克。
在较低的吸附温度下，NC的吸附率随着吸附温度的增加而增加，初始汞浓度越高（水浴温度越高），去除率增加的趋势越明显。
相反，当吸附温度高于60°C时，随着吸附温度的增加，去除率开始下降，且随着进料浓度的增加，降低程度越大。
当水浴温度为70°C和80°C时，NC的吸附率从吸附温度为60°C时的71.44%和70.56%急剧下降，仅为58.42%和57%。从下图可以看出，当吸附温度为60°C时，汞的去除效率最高。
这表明NC对汞的吸附既具有物理吸附又具有化学吸附。首先，Hg0分子通过物理吸附被吸附到NC的表面，然后通过缓慢反应发生化学吸附。
在较高的温度下，温度的增加导致物理吸附性能降低，从而导致汞去除效率下降。同时，吸附剂表面的H2O分子和含氧功能团（如–CHO和–CH2OH）在常温下也对汞的吸附起重要作用。随着温度的升高，H2O分子和含氧功能团也会减少，这也影响了NC的吸附性能。
4.气流量的影响
气流速率的变化会导致Hg0浓度和停留时间的变化。当流速较小时，初始浓度C in 较高，停留时间较长。Hg0可以更充分地与吸附剂接触，但高浓度会导致吸附竞争，影响吸附效率。
当流速增加时，C in 和吸附竞争减少，但较低的浓度和高流速不利于吸附，或者可能导致解吸。在实验中，吸附床的体积固定，因此气流速率越大，停留时间越短，从下图中可以看出，随着气流速率的增加，气流的稀释效应更为明显，导致初始Hg0浓度C in 逐渐减小。
5.不同大气成分的影响
氧气在汞的吸附去除过程中具有不可忽视的影响，因为氧气可以将Hg0氧化为氧化汞，而氧化汞的吸附比元素汞更容易。
因此，氧气的存在可以提高汞的吸附效率。从下图中可以看出，当使用N2作为载气时，NC的去除率保持在相对较低水平，而在切换使用空气作为载气后，汞去除率开始迅速上升，并达到63.4%。
而当再次将N2作为载气时，汞去除率下降至14.9%。这表明氧气对NC的Hg0吸附性能有显著影响。
该过程主要包括以下两个反应（反应公式中的“ad”，“g”和“s”分别表示“吸附剂”，“气相”和“固相”）38。
6.吸附模型
吸附等温线可以描述吸附剂上平衡浓度和吸附剂上吸附物当量之间的关系。常见的吸附等温线模型主要包括Langmuir和Freundlich吸附方程，它们的表达式如下：
其中，q_e和q_max（μg g^−1）分别代表平衡时的吸附物质量和理论最大吸附量，c（μg m^−3）代表平衡时的Hg0浓度，k_1（m^3 μg^−1）代表Langmuir吸附方程的速率常数。
其中，k_2和n是Freundlich吸附方程的吸附常数，通常认为1/n越小，吸附性能越好。当1/n在0.1和0.5之间时，意味着吸附物质很容易被吸附；相反，当1/n > 2时，吸附物质很难被吸附。
从上表的结果可以看出，朗缪尔方程和弗氏利希方程的拟合度基本相同（0.9931和0.9922）。朗缪尔吸附模型为单层物理吸附，弗氏吸附模型趋向于复杂的化学吸附。
两者的拟合度相似，说明NC既有物理吸附过程，又有化学吸附过程，这与吸附温度效应的推测相同。
结论纳米陶瓷（NC）是一种介孔硅质材料，经过化学改性形成了微表面上的功能化单层膜。本文中，NC被用作一种新型吸附剂，研究其在不同实验条件下对气态Hg0的吸附性能。
不同的汞进口浓度和吸附床温度，对NC的吸附性能有很大影响。随着浓度和温度的增加，Hg0的去除率呈现先增加后减少的趋势，而且浓度和温度越高，NC的吸附效果越好。
在最佳汞浓度（223.9 μg m−3）和最佳吸附温度（60°C）下，NC对Hg0的去除率为75.78%。
载气成分对NC的Hg0吸附性能有显著影响。当将O2（空气）用作载气时，NC的去除率可以达到63.4%，而切换回使用N2作为载气后，去除率急剧下降至只有14.9%。在加入SO2的空气中，Hg0的去除率从63.6%降至49.4%。
在NC的吸附模型拟合中，计算出NC的理论最大汞吸附量为1.61 mg g−1。两者之间的类似拟合程度表明NC的吸附过程中既有物理吸附，又有化学吸附。
Hg0分子通过物理吸附被吸附到NC的表面，然后通过缓慢反应发生化学吸附。吸附动力学模型拟合结果显示，伪二级动力学方程具有最佳拟合效果。同时，结合颗粒内扩散模型，推测Hg0在NC上的吸附是“横膜-扩散-吸附”的多段过程。
综合实验结果和拟合模型，可以得出NC作为吸附剂对气态Hg0具有较好的吸附性能，特别是在适宜的温度和气氛条件下，其去除效率较高。这为NC的应用于汞污染治理提供了有益的实验基础。
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