重金属废水处理的研究

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摘要：探讨了吸附法处理重金属废水的研究进展，讨论了天然材料吸附剂、合成材料吸附剂、改性材料吸附剂及生物材料吸附剂的吸附机理及吸附能力的影响因素，并对未来开发高效、廉价的用于处理重金属废水的吸附剂进行了展望。

关键词：吸附法；重金属；废水处理

中图分类号：X703 文献标识码：A

1 引言

重金属污染是一个严重危害人类健康的环境问题，如重金属废水，主要来自矿山、选矿尾矿排水，废石场淋浸水，有色金属冶炼厂除尘排水，有色金属加工厂酸洗水等，随着工业发展和人类活动的增加，大量含重金属污染物的工业废水和城市生活污水排入到江河湖泊，最终危及人类的健康。因此，选择一个合理的处理方法，对净化重金属废水、提高人类健康是极为重要的。在众多去除水中重金属的方法中，吸附法越来越以它简单、高效的特性凸现出来。吸附剂的吸附原理主要是由于分子中存在着羟基、巯基、羧基等各种活性基团，其与吸附的金属离子通过形成共价键或离子键，从而发挥吸附作用。同时在处理废水过程中，需要找寻新的或研发对Cu2+、Cd2+、Zn2+等重金属离子有很强吸附能力而对K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-等离子不吸附或弱吸附的吸附剂，其将作为处理废水的最佳有效材料。笔者针对以上阐述，将对各类吸附剂及影响吸附剂性能的因素进行系统归纳介绍。

2 重金属废水的处理方法

目前对于水中重金属的处理方法[5]主要采用物理化学技术（ 包括化学混凝沉淀及浮选法、溶剂萃取法、离子交换法、电渗析法、膜分离法、吸附法和铁氧化法等） 和生物技术（ 包括生物吸附法、生物絮凝法和生物修复法等）。在上述几种重金属废水的处理方法中，吸附法以其原理简单、去除率高等优点而被广泛应用。吸附剂是废水中重金属的主要载体，通过吸附的原理将废水中的重金属排除。但对于不同的吸附剂，其对重金属的吸附能力和特性也各有不同，因此，本文主要从吸附剂的分类及应用，以及影响吸附剂吸附能力的各种因素做以下介绍。

2.1 吸附剂的分类及应用概况

2.1.1 腐植酸类吸附剂

腐植酸类物质具有多种活性基团，如羟基、羧基、甲氧基、醌基等，这些基团的存在及其本身的表面积使其具有很强的吸附性能，广泛应用于废水处理中。腐植酸类物质可以络合金属离子并有吸附交换作用。用含有腐植酸类物质的泥炭[6]处理含Cu2+的废水，对Cu2+的吸附率可达88%以上。腐植酸类物质来源广泛，价格低廉，是一种天然的工业废水净化剂。

2.1.2 碳类吸附剂

活性炭是最常用的吸附剂，其吸附过程属于物理吸附，目前活性炭的种类主要有颗粒活性炭、粉状活性炭、活性炭纤维、炭分子筛、含碳的纳米材料等，其中50%～60%用于废水的处理[7]。而且活性炭的再生能力较强，重复利用率较高。实践表明，当被吸附分子直径小于活性炭孔径的3～4倍时，吸附能力最强[8]。

2.1.3 矿物吸附剂

粘土矿物具有比表面积大、空隙多、极性强的特性，其对水中重金属离子的吸附主要是由于其细粒的硅酸盐矿物具有负电荷结构，具体吸附机理是：通过正负电荷相互吸引，使具有负电荷结构的粘土矿物吸附具有正电荷的重金属阳离子，加之粘土大的表面积使其吸附能力更加增强。近年来，为提高吸附能力，对粘土类吸附剂的改进研究较多， 有学者采用有机阳离子—四甲铵离子取代粘土中天然可交换的阳离子后，其对Pb2+的吸附能力大大提高。

2.1.4 高分子吸附剂

常用的高分子吸附剂包括离子交换纤维、合成树脂、壳聚糖及其衍生物等。离子交换纤维是一种新型的高效吸附剂，其中的强酸性阳离子交换纤维对重金属废水的处理有重要意义。其常用于净化含60Co的工业废水、核电站循环水，以及废水中铁、镁、钙、铬、汞等金属离子，还可以用于纯净水的制备。壳聚糖对金属离子的吸附机理是：其分子中的羟基、氨基等基团，可通过氢键、盐键作用力形成具有类似网状结构的分子，从而可与大部分金属离子形成螯合物，起到吸附作用。同时壳聚糖对天然水中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4等离子无吸附作用，因此不影响天然水质，而且具有高效吸附剂的特性。

2.1.5 生物材料吸附剂

农林废弃物和各种动植物残体以及多种微生物等，以其低成本、处理效果好等优点作为生物材料受到更多人的青睐，因此生物材料分为活体生物材料和死体生物材料。金属离子的被动结合，如离子交换等，既可发生在活体生物材料上，也可发生在死体生物材料上。而金属离子的主动结合则仅发生于活体细胞，由生物体代谢活动引起。但由于金属离子存在毒性的特点，制约了活体生物材料的广泛应用[20]。

2.2 吸附剂吸附能力的影响因素

2.2.1 溶液pH值

pH值是影响吸附作用的最主要因素之一。前人[9]在研究各种吸附剂在不同pH值条件下对甲基汞的吸附能力时发现，当 pH值较低时，溶液中的重金属离子呈阳离子状态，又由于溶液中H+浓度较高，因此H+的大量存在与重金属离子的吸附产生了竞争作用，严重影响了重金属离子的有效吸附。因此，较低的pH值不利于吸附剂对重金属离子的去除；相反，当溶液的pH值升高时，利于吸附剂对重金属离子的去除作用，因为随着pH值的升高，吸附剂表面产生更多的负电势，能够吸引更多正电荷金属离子，吸附效果更好[21]。

2.2.2 吸附温度

有学者[10]研究了温度变化对沸石吸附Cu（NH3）42+能力的影响，结果表明，吸附量随温度的升高而增加；当温度达到一定值时，吸附量随温度的升高而下降。分析原因是由于沸石对Cu（NH3）42+的吸附机理所引起的，其吸附机理既有交换吸附（随温度升高离子交换能力增强），又有分子吸附（随温度升高吸附能力下降）。吸附能力是根据不同的吸附剂材料在一定的温度范围最强。

2.2.3 吸附时间

还有学者研究了吸附时间[11]对重金属离子吸附率的影响，结果表明，很多吸附剂对重金属的吸附率随着吸附时间的延长而增大，但当吸附时间延长到6h后，吸附剂对重金属的吸附率变化不明显，说明此时吸附状态已接近达到饱和，因此6h为吸附剂吸附能力的临界点。但是同样存在吸附解析的现象，需要通过实验求证不同吸附剂的吸附平衡时间，吸附时间（吸附材料与废水接触时间）并非越长越好。

2.2.4 重金属离子初始浓度

有学者[12]研究了重金属离子在废水中的初始浓度对其吸附效果的影响，结果表明，吸附剂对重金属离子的吸附率随离子初始浓度的增大而减小，提示当金属离子浓度较高时，应增加吸附剂的用量才能获得满意的吸附效果。并且发现，在重金属的吸附过程中存在着平衡吸附，平衡吸附量随金属离子初始浓度的增加而增大，这是由于随着离子初始浓度的增大而使吸附质离子的数量增多，导致吸附平衡向减少吸附质离子的方向移动。

2.2.5 吸附剂的比表面积

前人的研究结果提示，表面积大的粉状泥的吸附能力强于颗状泥；比表面积大的多孔质沸石对Pb2+、Cu2+、Zn2+的去除能力较普通沸石强。因此，增大吸附剂的比表面积有利于对重金属离子的吸附。

3 结语

重金属废水是废水的主要种类，重金属的存在严重危害着人们的健康，因此重金属废水的处理势在必行。重金属离子在废水中的存在形式非常复杂，单一的处理方法往往不能满足净化的要求，要采取综合的治理方法以求达到最好的净化效果[13～17]。本文讨论了吸附法在重金属废水处理中的应用，对于吸附剂的选择是处理重金属废水的难点与重点，因此，开发研究高效吸附剂是目前废水处理研究人员最为关心的问题，采用新技术，以开发出更加高效、低毒且可重复利用的吸附剂是废水处理研究人员致力的目标。纳米材料是新技术的热点，其与普通材料相比，具有更高的表面能、更大的表面积和比表面积，因此纳米材料在制备高效吸附剂方面体现出巨大的优势[18，19]，纳米材料吸附剂的发展与应用创造了废水处理的新纪元，目前，最具有代表性的纳米材料吸附剂是层柱粘土纳米复合材料吸附剂。同时生物技术用于废水中重金属的去除也是目前重金属废水处理的发展趋势，采用传统的回收或修复技术从废水和被污染的地下水中去除放射性元素、重金属等有害成分，其费用高昂，而生物材料具有成本低、污染小的特点，因此采用天然的生物材料作为吸附剂用于重金属废水的处理显现出巨大优势。吸附法在重金属废水的处理中早有应用，是一种重要的化学物理方法，为人类生存环境的改变做出了巨大贡献，但吸附剂的高昂价格又严重制约了吸附法的广泛应用，因此研究开发高效、低廉、无毒的吸附剂势在必行，也是环保工作者不容忽视且需重点考虑的问题。

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