污水中重金屬的吸附技術(shù)與研究進(jìn)展

邢廣成（沈陽航空航天大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,沈陽110000）

污水中重金屬的吸附技術(shù)與研究進(jìn)展

邢廣成
（沈陽航空航天大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,沈陽110000）

摘要：本文首先講述了污水中重金屬的主要吸附方法，將整個(gè)吸附劑劃分為物理吸附、化學(xué)吸附和物理化學(xué)吸附。并就各吸附類型詳盡介紹了發(fā)生相關(guān)反應(yīng)的條件和原理。然后逐一介紹了化學(xué)吸附的適用的吸附劑，同時(shí)介紹了化學(xué)吸附所運(yùn)用的表面絡(luò)合模型和固溶體模型，對化學(xué)吸附進(jìn)行詳細(xì)的分析。最后介紹國內(nèi)外最新的重金屬吸附的研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：重金屬；吸附；表面絡(luò)合；固溶體

1引言

在過去幾十年中,使用重金屬日益增加,不可避免地導(dǎo)致水環(huán)境中金屬物質(zhì)的含量升。這些重金屬由于不能降解且保留下來而引起特別的重視。其其中最重要的技術(shù)有化學(xué)沉淀法、電子漂浮法、離子交換法、反向滲透和活性碳吸附法。

目前,研究較多的吸附重金屬的方法有（1）物理吸附法；（2）化學(xué)吸附法；（3）物理化學(xué)吸附法等?？紤]到老化反應(yīng)和新礦物形成的影響通過表面絡(luò)合污染物的釋放，表面沉淀，溶解/沉淀反應(yīng)，我們結(jié)合考慮所有這些化學(xué)反應(yīng)水的絡(luò)合。

2吸附研究

2.1物理吸附

活性炭在實(shí)踐中主要是水處理吸附劑，石墨表面發(fā)達(dá)的活性碳供應(yīng)的吸附位點(diǎn)吸附重金屬。重金屬吸附材料一直被認(rèn)為主要發(fā)生在酸性官能團(tuán)如羧基和內(nèi)酯基團(tuán)。石墨烯層和含氧官能團(tuán)中發(fā)揮重要重金屬的吸附作用。重金屬吸附發(fā)生在相同的吸附位點(diǎn)?；钚蕴课絼?dòng)力學(xué)研究表明，發(fā)現(xiàn)活性炭表面上是存在至少有兩個(gè)不同的強(qiáng)與弱的親和金屬的吸附位點(diǎn)；一是羧酸和內(nèi)酯基團(tuán)，二是一些弱的酚。

2.2化學(xué)吸附

2.2.1?膠體吸附

膠體具有良好的吸附陰陽離子的能力,以鐵氧化物為主要吸附成分的吸附劑的開發(fā)研制和應(yīng)用已經(jīng)得到了國內(nèi)外的關(guān)注.在處理含有大量重金屬的污水的中，運(yùn)用比較成熟的技術(shù)是沉淀技術(shù)、膠體吸附技術(shù)與共沉淀技術(shù)，研究表明：氫氧化鐵、氫氧化鋁和氫氧化錳膠體對其它重金屬有強(qiáng)烈的吸附作用。因此，氫氧化鐵、氫氧化鋁和氫氧化錳膠體對重金屬的吸附與共沉淀作用技術(shù)能夠有效地降低重金屬的濃度甚至完全移除污水中的重金屬。

2.2.2?碳酸鈣吸附

城市固體廢棄物焚燒飛灰的飛灰水洗液的碳酸化技術(shù)是近幾年來提出處理污水的新型技術(shù)。城市固體廢棄物焚燒飛灰水洗液的碳酸化技術(shù)將污水中重金屬穩(wěn)定化重使廢液中所含的重金屬浸出率降低。碳酸化技術(shù)可以大大降低污水的毒性。

模擬過程中模型

2.2.3?表面絡(luò)合模型

氫氧化鐵和氫氧化鋁對于重金屬具有很好的吸附性，因此，共沉淀和吸附技術(shù)可有效地降低廢水中重金屬的濃度或甚至完全除去某些重金屬。表面絡(luò)合模型（SCM）和表面沉淀模型（SPM），它們已被廣泛應(yīng)用到各種表面，如純金屬（鋁，硅，錳和鐵）的氫氧化物，碳酸鹽。表面絡(luò)合模型（SCM）在過去已經(jīng)研究了重金屬吸附到鐵氧化物和羥基氧化物的研究。雙層模型（DLM）指出，在固體和水相之間的邊界層的表面，獨(dú)立的表面電荷，增加陰離子濃度中的擴(kuò)散層，因?yàn)殪o電力的存在。與此相反的恒定電容模型（CCM），所述電勢不改變向上，從相邊界一定距離，而不是立即以線性的方式下降。Dzombak和Morel（1990年）已經(jīng)得到一個(gè)全面的數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用于鐵礦對重金屬的吸附與適合許多雙層吸附的模型。因此，該雙電荷層模型已成為事實(shí)上在自然環(huán)境中的重金屬吸附建模的標(biāo)準(zhǔn)，該數(shù)據(jù)庫包含與PHREEQC包含熱力學(xué)數(shù)據(jù)為衍生名為“HFO”（水合氧化鐵）的一個(gè)漫雙層表面（Dzombak和Morel1990年）。其中表面絡(luò)合反應(yīng)的鐵礦的雙層模型（DLM）。擴(kuò)散雙層的充電表面立即開始，并且表面電位直接連接到經(jīng)由所述電容的表面電荷，所述的Gouy-Chapman雙層方程被用于限定的表面電位作為表面電荷和離子強(qiáng)度的函數(shù)。雙層模型被應(yīng)用在許多計(jì)算機(jī)代碼中，諸如MINTEQ，PHREEQC。

在最近幾年中，碳酸化技術(shù)[47]是最近提出的關(guān)于廢水的處理中的一項(xiàng)新技術(shù)。在以前的工作中在單一吸附劑系統(tǒng)中砷酸的吸附，PokrovskyandSchott的恒定電容模型（CCM）給出重金屬在方解石表面給出的參數(shù)。模擬二進(jìn)制吸附系統(tǒng)，是通過組合兩個(gè)單吸附劑的CCM模型模擬方解石吸附砷酸。在CCM模式不是在PHREEQC直接可用的，但是由于該系統(tǒng)的表面電位低，所以能夠修改模型在PHREEQC的應(yīng)用，得到一個(gè)CCM等效模型。該模型為砷酸是基于對“強(qiáng)＞Ca”和“弱＞Ca”位點(diǎn)，總“＞Ca”位置密度為8.22lmol/平方米（等于“＞CO3”位點(diǎn)密度）的組合。

固溶體對于于清除從水中重金屬和用于限制重金屬在環(huán)境中的移動(dòng)性有很重要的作用。對于固溶礦物形成的計(jì)算，在結(jié)合位點(diǎn)的混合模型（代元素可以取代僅在晶體結(jié)構(gòu)中的某些位點(diǎn)的某些元素）可以通過方解石用于移除溶液中痕量的重金屬元素。重金屬與方解石的共沉淀可以結(jié)合PHREEQC的“固體溶液”選項(xiàng)建模。

2.3物理化學(xué)吸附

離子交換樹脂法，利用離子交換劑中的可交換基團(tuán)與溶液中各種離子間的離子交換能力的不同來進(jìn)行分離的一種方法。離子交換技術(shù)在富集和分離微量或痕量元素方面應(yīng)用很廣.例如分離水中的鋰離子、錳離子、銅離子、鐵離子、鋅離子等多種金屬離子。

3國內(nèi)外主要研究進(jìn)展

GiehyeonLee等人研究表明[1]：鐵，鋁，錳形成的不定形氧化物的飽和水合物具有良好的吸附作用。含有鐵鋁錳的不定形氧化物的飽和水合物的樣品對含有鉛銅鋅的溶液具有十分理想共沉淀作用。RussellJ.Crawford、IanH.Hardinget等人的研究中表明[2]：膠體的吸附吉布斯自由能絕對值越大，吸附效果越好。膠體的介電常數(shù)越大，對金屬自由離子的吸附或沉淀效果越好；膠體的介電常數(shù)越小，對金屬離子對應(yīng)的絡(luò)合物吸附或沉淀效果越好。膠體的表面積對吸附效果的影響效果較小。等電點(diǎn)對吸附的等溫線的PH的變化范圍影響很大。C_Namasivaym,等人的研究中表明[3]：Fe(OH)3膠體吸附對溶液中重金屬的影響主要由金屬離子初始濃度、攪拌時(shí)間、反應(yīng)時(shí)的溫度和溶液此時(shí)的pH值決定。吸附等溫線方程可以準(zhǔn)確地用拉格繆爾和弗路恩德里奇等溫方程來描述。ojtechEttler等的研究表明：碳酸鈣沉淀（calciteprecipitation）對Mg，F(xiàn)e，Mn，Ba具有較好的移除效果。對As，Ni，Se的移除效果不佳。因?yàn)檠芯康慕鲆褐蠧d，Cu，Pb，Zn的含量很少，所以沒有觀察到對這幾種重金屬的移除效果。michaeloschwarts等的研究表明：碳酸鈣與重金屬生成的共沉淀法對與去除溶液中的鎘，銅，錳，鉛，鋅等重金屬離子具有比較理想的移除效果。L.Z.Lakshtanov,S.L.S.Stipp.研究表明: 和CaCO3能生成共沉淀。得出了碳酸鈣與鎳所形成的共沉淀的反應(yīng)機(jī)理以及所需的分配系數(shù)。

4結(jié)論

吸附分為物理吸附、化學(xué)吸附和物理化學(xué)吸附。化學(xué)吸附別廣泛用于各種重金屬的吸附應(yīng)用中。膠體吸附是目前研究最多的吸附，吸附效果好。

表面絡(luò)合模型（SCM）和表面析出模型（SPM），已被廣泛適用于各種表面，如純金屬（Al，Si，Mn，F(xiàn)e）的氫氧化物和碳酸鹽，硫化物。

關(guān)于方解石的吸收性能尤其是二價(jià)陽離子的結(jié)合傾向，除了實(shí)驗(yàn)研究分區(qū)固體和溶液之間的行為，有效方法已被開發(fā)用于模擬固體溶液形成，利用參數(shù)來描述固溶體的形成的方程。

參考文獻(xiàn)：

[1]GiehyeonLeea,*,JerryM.Bighamb,etal.RemovaloftracemetalsbycoprecipitationwithFe,AlandMnfromnaturalwaterscontaminatedwithacidminedrainageintheDucktownMiningDistrict,Tennessee[J].AppliedGeochemistry17(2002)569-581.

[2]RussellJ.Crawford,IanH.Harding.Adsorptionandcorprecipitationofsingleheavymetalionsontothehydratedoxidesofironandchromium[J].Langmuir1993,9,3050-3056.

[3]C_Namasivaym,等.用“廢物”氫氧化鐵(Ⅲ)/鉻(Ⅲ)的吸附去除污水中的鎘.地質(zhì)科學(xué)譯叢，1997(06).

作者簡介：邢廣成(1988-)，男，碩士研究生，主要從事：固體廢棄物處理的研究工作。