Xuan+Sang+Nguyen+張高科+廖慶玲

摘 要：本文綜述了廢水中重金屬離子的各種處理方法，簡要說明了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了吸附法處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀，最后展望了介孔新型材料用于重金屬離子的凈化處理研究和實(shí)際應(yīng)用趨勢。

關(guān)鍵詞：重金屬離子；凈化；新型材料

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.047

含有重金屬離子的污染物進(jìn)入水體會造成水體的重金屬離子污染。礦冶、機(jī)械制造、化工、電子、儀表等工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的重金屬工業(yè)廢水對人類健康和自然生態(tài)系統(tǒng)都會有影響[1]，因此，水中的重金屬離子必須得到妥善處理。本文介紹目前國內(nèi)外處理廢水中重金屬離子的方法，如活性炭吸附法，總結(jié)了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，最后展望了廢水中重金屬處理方法的發(fā)展趨勢。

1 水中重金屬離子可采用的凈化方法

1.1 沉淀法

沉淀法一般是通過化學(xué)反應(yīng)把水體中的重金屬離子從游離態(tài)的轉(zhuǎn)變?yōu)楹亟饘俚某恋砦?，再過濾和分離處理，使沉淀從水中分離，包括中和、硫化物、鐵氧體共沉淀幾種方法[2]。各種處理技術(shù)的操作分別如下：把堿加入到含重金屬的廢水中，重金屬會轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苡谒臍溲趸锍恋?，然后將沉淀物分離，該法操作耗時(shí)少，簡單；把硫化物類的沉淀劑加入廢水中生成硫化物沉淀而除去重金屬也常用；先將鐵鹽向廢水中投加，然后控制工藝條件，使金屬離子形成不溶性的鐵氧體晶粒，最后固液分離，從而達(dá)到去除重金屬離子目的。

1.2 電解法

電解法用于重金屬離子的凈化是一種相對成熟的廢水凈化處理技術(shù)[3]，不僅污泥的生成量能有效的減少，而且能高效地回收某些貴金屬。其基本原理是電解過程中，氧化和還原反應(yīng)分別在陽、陰兩極上發(fā)生，有害物質(zhì)在氧化還原作用下轉(zhuǎn)化為無毒無害物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)廢水的凈化。電解法技術(shù)去除率高、可回收所沉淀的重金屬加以資源優(yōu)化，二次污染情況少、處理過程中所使用的化學(xué)試劑量少；常溫常壓下，操作管理簡便；廢水中污染物的濃度發(fā)生波動時(shí)，通過電流電壓的調(diào)整，可保證出水水質(zhì)的穩(wěn)定；整套裝置的占地面積不大，有效節(jié)省空間。

1.3 氧化還原法

廢水中的重金屬離子在氧化還原作用下生成無毒無害的新物質(zhì)，其實(shí)質(zhì)是在氧化還原過程中，無機(jī)物元素的原子或離子在失去或得到電子的過程中會導(dǎo)致元素化合價(jià)的變化，是用于治理電鍍廢水的最早方法之一[4]，此法原理簡單、操作好掌握、對水量和高濃度廢水的沖擊承受大。一般根據(jù)還原劑的種類可以分為NaHSO3法、FeSO4法、SO2法、鐵屑法等。

1.4 膜分離新型處理技術(shù)

該技術(shù)可以在分子水平上，利用混合物分子具有不同粒徑的特征，在通過半透膜時(shí)可實(shí)現(xiàn)選擇性分離，包括電滲析濾膜、反滲透濾膜、萃取濾膜、超過濾濾膜等。電鍍工業(yè)廢水經(jīng)過膜分離處理后的廢水組成穩(wěn)定，并可回槽使用。膜分離廢水凈化技術(shù)是近年來發(fā)展最迅速的高新技術(shù)，分離效率高、分離過程中不會發(fā)生相變且不會化學(xué)反應(yīng)、分離器體積小、低能耗和方便操作等，廣泛應(yīng)用于物質(zhì)的分離與濃縮，具有廣闊的發(fā)展前景，在廢水處理中已受到特別的青睞[5]。

1.5 高效離子交換法

離子交換處理法是利用離子交換樹脂、沸石等交換劑分離廢水中有害金屬離子的方法。離子交換樹脂主要有凝膠型和大孔型兩種，前者有選擇性交換功能，后者制造很復(fù)雜、高成本、再生劑耗量大。交換劑將自身所帶的能自由移動的離子通過與被處理的溶液中的離子進(jìn)行交換來實(shí)現(xiàn)凈化目的。離子間的濃度差和功能基對離子的親和能力是離子交換的推動力，多數(shù)情況下交換劑的離子是先被吸附，再被交換，具有吸附、交換的雙重作用[6]。

1.6 生物凈化處理技術(shù)

生物技術(shù)治理廢水日益受到人們的關(guān)注，根據(jù)凈化機(jī)理的不同，可分為絮凝法、吸附法、化學(xué)法以及植物修復(fù)法。利用微生物或其產(chǎn)生的代謝物來實(shí)現(xiàn)絮凝沉淀；利用生物體本身的特殊化學(xué)結(jié)構(gòu)及特性成分來吸附水中的金屬離子，最后通過固液兩相分離去除金屬離子的方法也廣受關(guān)注[7]。

1.7 吸附凈化處理法

重金屬離子可利用吸附劑的獨(dú)特結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來除去，常用吸附劑有活性炭、腐植酸、海泡石、殼聚糖樹脂等。該法要求對水進(jìn)行預(yù)處理，因?yàn)槲絼┳陨淼膬r(jià)格一般較昂貴，所以主要用于微量污染物的凈化處理，也常用于從高濃度的廢水中吸附某些有用的特定物質(zhì)以達(dá)到資源回收和治理的目的。目前，應(yīng)用于工業(yè)廢水處理的吸附劑主要有活性炭和生物吸附劑。一些尚處于實(shí)驗(yàn)室模擬階段的吸附劑有粘土類、高分子、利用廢棄物制備的吸附劑和復(fù)合吸附劑等。其中活性炭可用于凈化去除大多數(shù)的重金屬和有機(jī)分子，具有較強(qiáng)的吸附能力， 但由于其使用成本相對昂貴、復(fù)雜的工藝操作和運(yùn)行管理， 因而很多地區(qū)難以得到廣泛的應(yīng)用。絕大部分吸附劑可能存在吸附效率低，產(chǎn)生二次污染無法解決等問題。介孔材料經(jīng)過功能化處理后，特殊的功能基團(tuán)對重金屬的吸附能力強(qiáng)，還可以選擇性地吸附水中重金屬離子，并且在適當(dāng)條件下可以進(jìn)行再生，實(shí)現(xiàn)吸附材料的重復(fù)使用，并且吸附效果仍然非常可觀[8]。

2 重金屬凈化處理方法的缺點(diǎn)

化學(xué)沉淀法處理金屬離子廢水往往出水濃度達(dá)不到要求，沉淀劑的使用工藝和操作的環(huán)境條件等方方面面都會影響出水質(zhì)量，產(chǎn)生的沉淀物需作進(jìn)一步處理，否則容易造成二次污染。電化學(xué)法在運(yùn)行過程中的電耗和電極金屬會產(chǎn)生大的消耗量，沉淀物質(zhì)分離出來后不能夠直接處理利用，整體操作成本較高。氧化還原法需要加入特定的氧化劑或者還原劑，不可避免會導(dǎo)致處理廢水的成本大大升高，不同的有害物質(zhì)還必須采用特定的試劑來處理，反應(yīng)后的廢液的后處理也不是件簡單的事情。膜分離法雖然處理金屬離子的效率高， 但是膜材料的生產(chǎn)和預(yù)處理成本也很高，特別是膜組件價(jià)格貴，膜容易受污損等等問題制約了膜分離技術(shù)在廢水處理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。離子交換法在處理金屬離子廢水的過程中難免會產(chǎn)生過量的再生廢液，處理周期長，耗鹽量也蠻大，排出大量含鹽廢水特別容易引起輸送管道的腐蝕。離子交換樹脂使用過程中容易受到多種有機(jī)物的干擾和污染，當(dāng)溶液中含有多種不同元素的離子時(shí)，缺乏普遍適用性。生物吸附材料能夠?qū)χ亟饘匐x子進(jìn)行有效地吸附，但是目前研究發(fā)現(xiàn)，具備高吸附容量，而且能夠選擇性吸附的廉價(jià)生物材料很稀缺，真正實(shí)現(xiàn)市場化還需要進(jìn)一步的深入研究和不斷探索。

3 介孔材料用于重金屬吸附處理的研究趨勢

介孔功能吸附材料在金屬離子凈化處理的研究中發(fā)現(xiàn)，操作簡單、具有吸附容量高、選擇吸附性，能夠反復(fù)使用等特點(diǎn)，對于它的研究比較多[9-20]，這些優(yōu)點(diǎn)將可望成為處理重金屬離子污染的有效解決途徑。介孔材料在水處理方面也有一些問題還沒有解決，比如功能化介孔材料對指定的特殊重金屬離子的吸附，介孔材料功能化的工藝參數(shù)，如接枝基團(tuán)的種類和數(shù)量等的控制，介孔材料對重金屬離子的吸附機(jī)理的研究也不透徹。介孔材料吸附重金屬離子后的再生材料吸附效率也是一個(gè)研究的方向。從操作和經(jīng)濟(jì)可行性方面考慮，介孔材料今后的發(fā)展趨勢或者目標(biāo)有：1）吸附和脫附速度快；2）生產(chǎn)成本低，能夠重復(fù)使用；3）有一定的理想粒度，形狀和機(jī)械強(qiáng)度，能夠在連續(xù)流系統(tǒng)中應(yīng)用；4）具有對重金屬離子的選擇吸附性；5）脫吸附后吸附劑的損失量小，經(jīng)濟(jì)上可行。

參考文獻(xiàn)：

[1]Fenglian Fu，Liping Xie，Bing Tang，Qi Wang，Shuxian Jiang. Application of a novel strategy-Advanced Fenton-chemical precipitation to the treatment of strong stability chelated heavy metal containing wastewater. Chemical Engineering Journal，2012，283-287.

[2]Jun， D.，Bowen ，L.，Qiburi，B.In situ reactive zone with modified Mg（OH）2 for remediation of heavy metal polluted groundwater：Immobilization and interaction of Cr（III）， Pb（II） and Cd（II）.Journal of Contaminant Hydrology，2017，50-57.

[3]Ying X.，Zhang，C.S.，Zhao，M.H.，Rong，H.W.，Zhang，K.F.， Chen，Q. L.Comparison of bioleaching and electrokinetic remediation processes for removal of heavy metals from wastewater.

[4]Fontmorin，J.M.，Mika S.Bioleaching and combined bioleaching/Fenton-like processes for the treatment of urban anaerobically digested sludge：Removal of heavy metals and improvement of the sludge dewaterability.Separation and Purification Technology，2015，655-664.

[5]Nithinart，C.，Scott，M.Husson.High-capacity，nanofiber-based ion-exchange membranes for the selective recovery of heavy metals from impaired waters. Separation and Purification Technology，2017，94-103.

[6]Deepak，P.，Gaurav，S.，Rinku，T.Pectin @ zirconium （IV） silicophosphate nanocomposite ion exchanger： Photo catalysis， heavy metal separation and antibacterial activity，Chemical Engineering Journal，2015，235-244.

[7] Sami，G.Biosorption of heavy metal from aqueous solution using cellulosic waste orange peel， Ecological Engineering， Volume 99， February 2017，134-140.

[8]Enshirah，D.Adsorption of heavy metals on functionalized-mesoporous silica：A review. Microporous and Mesoporous Materials，2017，145-157.

[9] Jihoon，K.，Seung，Y.K.Efficient and selective removal of heavy metals using microporous layered silicate AMH-3 as sorbent， Chemical Engineering Journal，2017，975-982.

[10] Bingyan Lan， Ruihuan Huang， Laisheng Li Catalytic ozonation of p-chlorobenzoic acid in aqueous solution using Fe-MCM-41 as catalyst[J].Chemical Engineering Journal，2013， （219）：346-354.

[11]Belhadj B，Cameselle C，Akretche DE.Physico-chemical effects of ion-exchange fibers on electrokinetic transportation of metal ions[J].Separation and Purification Technology， 2014（135）：72-79.

[12]Shiau-Wu Lai，Hsiu-Li Lin，T Leon Yu.Hydrogen release from ammonia borane embedded in mesoporous silica scaffolds：SBA-15 and MCM-41[J].International journal of hydrogen energy， 2012（37）：14393-1440.

[13]L Hajiaghababaei，B Ghasemi，A Badiei，et，al. Aminobenzenesulfonamide functionalized SBA-15 nanoporous molecular sieve： as a new and promising adsorbent for preconcentration of lead and copper ions[J].Journal of Environmental Sciences，2012，24（07）：1347-1354.

[14]Shengju Wu，F(xiàn)engting Li，Ran Xu， et al.Synthesis of thiol-functionalized MCM-41 mesoporous silicas and its application in Cu（II），Pb（II），Ag（I），and Cr（III） removal[J].Journal of Nanoparticle Research，2010（12）：2111-2124.

[15]Toshiyuki Yokoi，Yoshihiro Kubota，Takashi Tatsumi.Amino-functionalized mesoporous silica as base catalyst and adsorbent[J].Applied Catalysis A：2012，421（422）：14-37.

[16]Xinqing Chen，Koon Fung Lam，King Lun Yeung.Selective removal of chromium from different aqueous systems using magnetic MCM-41 nanosorbents[J].Chemical Engineering Journal， 2011（172）：728-734.

[17]G Grigoropoulou，P Stathi，M A Karakassides.Functionalized SiO2 with N-，S-containing ligands for Pb（II） and Cd（II） adsorption[J].Colloids and Surfaces A，2008（320）：25-35.

[18]Thanapon Sangvanich，Vichaya Sukwarotwat，Robert J Wiacek. Selective capture of cesium and thallium from natural waters and simulated wastes with copper ferrocyanide functionalized mesoporous silica[J].Journal of Hazardous Materials，2010， （182）：225-231.

[19]Han Y J，Stucky G D，Butler A.Mesoporous Silicate Sequestration and Release of Proteins[J].Journal of the American Chemical Society，1999，121（42）：9897-9898.

[20]Fan J，Lei J，Wang L M，et.al.Rapid and high-capacity immobilization of enzymes based on mesoporous silicas with controlled morphologies [J]. Chemical Communications， 2003（17）： 2140-2141.

作者簡介：Xuan Sang Nguyen（1986-），男，博士，越南籍留學(xué)生，主要研究方向：功能應(yīng)用材料。