納米氫氧化鎂在重金屬水處理方面的應用

蘇明陽 唐靜

摘 要： 納米氫氧化鎂是一種新型無機材料。由于其無毒、無害、腐蝕小、吸附能力強等特點，在重金屬水處理方面得到了廣泛應用。在論述近年來納米氫氧化鎂吸附應用進展的基礎上，闡述目前存在的問題和以后的發(fā)展方向。

關 鍵 詞：納米氫氧化鎂；吸附劑；水處理

中圖分類號：TQ 050.4+21 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）07-1592-03

Application of Magnesium Hydroxide Nanoparticles in Water Treatment

SU Ming-yang ， TANG Jing

（Henan Polytechnic Institute ， Henan Nanyang 473000， China）

Abstract： As a new type of inorganic material， magnesium hydroxide nanoparticles can be used as absorbent based on the advantages of non-toxicity， harmless， low corrosion， strong adsorption ability. In this paper， research progress of magnesium hydroxide nanoparticles was reviewed. Meanwhile， disadvantages and development trend of the research on application were also presented.

Key words： Magnesium hydroxide nanoparticle； Absorbent； Water treatment.

1 水體重金屬污染現狀

近些年來，水體重金屬污染正逐漸成為全球性難題[1]。國家環(huán)保部的調查顯示，我國水體重金屬污染問題十分突出，江河湖庫底質的污染率高達80.1%。調查還顯示，由長江、珠江、黃河等河流攜帶入海的重金屬污染物總量約為3.4萬t/a，對海洋水體的污染危害巨大。

重金屬一般以天然濃度存在于自然界，但隨著中國工業(yè)化進程的加速，涉及重金屬排放的加工、冶煉、化工、電鍍、塑料、電池等加工及制造活動日益增多，造成重金屬進入到水體中。重金屬易通過水和土壤進入到食物鏈，即使微量也可在活機體內富集且較難被降解，可阻斷生物分子表現活性所必需的功能基，置換生物分子中所必需的金屬離子，改變生物分子構象或高級結構，最終引發(fā)生物體機能紊亂和各種疾病。此外由于多數重金屬在水中以離子形式存在，無色無味，很難被直觀檢測和常規(guī)儀器檢驗出來，因此水體重金屬污染較為隱形，難以提防。近幾年我國頻頻爆發(fā)重金屬污染事件，2005年廣東北江韶關段發(fā)生重金屬嚴重超標事件；2006年湘江湖南株洲段出現重金屬污染事故；2009年4月湘江重金屬污染威脅到4 000萬人飲用水安全； 2010年春節(jié)廣西龍江河段鎘泄漏嚴重威脅到當地及下游沿岸地區(qū)群眾飲水安全。

一方面是重金屬污染日益嚴重，而另一方面則是重金屬全球儲藏量不高，Tb、Dy等稀土類重金屬礦僅供再開采30 a，因此重金屬廢水的處理已成為亟待解決的環(huán)境問題和經濟問題。若治理得當，不僅有助于工業(yè)廢水的循環(huán)利用，節(jié)約水資源，而且有利于重金屬的回收和再次投入工業(yè)生產，必將極大促進國民經濟健康有序地發(fā)展。2011年3月，國務院還批準了《湘江流域重金屬污染治理實施方案》，這也是迄今為止全國第一個獲國務院批準的重金屬污染治理試點方案。2011年國務院還批復了《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》，這是我國歷史上第一次把重金屬污染的防治納入國家的規(guī)劃中。該方案規(guī)劃項目近千個，總投資額百億元，力爭到“十二五”末解決危害群眾健康的重金屬污染問題。

2 納米氫氧化鎂吸附劑的優(yōu)點

目前常用的重金屬水處理方法包括：化學沉淀、離子交換、吸附、電化學、膜分離、生物法等。其中生物法處理重金屬廢水有利于生態(tài)環(huán)境的徹底改善，但此種方法真正大規(guī)模投入實際應用需要基因工程、分子生物學等技術的進一步發(fā)展。與其他方法相比，吸附法的工藝過程相對簡單，能耗、操作費用和原材料成本均相對較低，且不存在二次污染等問題。吸附法常用的沸石、粘土、活性炭等材料適用于水體中較高濃度重金屬的脫除，而對于廢水中低濃度重金屬的處理，納米氫氧化鎂等納米級吸附劑有較大優(yōu)勢，其主要包括以下優(yōu)點：（1）原料易得、綠色環(huán)保。生產原料主要來源于天然礦物（水鎂石和方鎂石） 、苦鹵和老鹵，且使用和廢棄過程中均無有害物質排放；（2）顆粒比表面積較大，暴露在表面的缺陷也就更多，接觸面積大，具有強烈的吸附作用，可一并處理工業(yè)廢水中常見的有機物和絡合劑；（3）納米氫氧化鎂作為吸附劑還具有無毒、無害、綠色環(huán)保等優(yōu)點，可有效避免二次危害和污染；（4）氫氧化鎂是一種弱堿，無腐蝕性，易于保存和運送，故不需要特制防腐設施；（5）較之氫氧化鈣，氫氧化鎂被酸性污水中和不易形成沉淀和結垢，不易產生二次污染，便于大規(guī)模的操作使用[2]。

3 納米氫氧化鎂吸附性能及機理研究

Guo等詳細考察了吸附時間、溫度、吸附劑濃度、pH值等對納米氫氧化鎂處理含鈷溶液的影響[3]。翟德偉等還將其應用于含鉻廢液的處理[4]。研究發(fā)現，納米氫氧化鎂處理效果比一般的氫氧化鎂要好很多，5 min已經基本吸附完全，最大吸附量達到了102 mg/g，是普通氫氧化鎂的2.5倍。胡婉玉等在制備了片狀納米氫氧化鎂的基礎上，進一步研究了其吸附含鉛溶液的性能[5]。結果發(fā)現，在吸附時間40 min，吸附劑加入量1 g/L，鉛初始濃度200 mg/L，振蕩速度140 r/min的情況下，即可使鉛的去除率達到99.6%。路娟等結合紫外吸收監(jiān)測，采用Langmuir方程對納米氫氧化鎂吸附含鎳廢液的數據進行了擬合，證明了吸附過程在25 min即可達到平衡，吸附量會隨著溫度的升高而增加[6]。

Li等則在采用納米氫氧化鎂回收稀土金屬（RE）的基礎上，繼續(xù)探究了具體的吸附機理[7]。由于氫氧化鎂溶度積比一般金屬都大，處理過程中會發(fā)生如下置換反應：

3Mg（OH）2 + 2RE3+ → 2RE（OH）3 + 3Mg2+

伴隨著反應的進行，氫氧化鎂逐漸溶解，新生成的RE（OH）3沉積在納米材料的表面。當沉積層達到一定厚度時，會阻礙材料的繼續(xù)溶解，最終終止反應，完成稀土金屬的處理。具體吸附過程可見圖1。

圖1 納米氫氧化鎂吸附稀土金屬示意圖

Fig.1 Mechanism of nano-Mg（OH）2 adsorbing rare earth metal from water

郝建文等則認為吸附過程實質上是一種表面絡合反應。納米氫氧化鎂晶體結構Mg（OH）64-表面的OH-易與重金屬離子發(fā)生絡合反應，進而完成吸附作用[8]。Cao等通過研究指出由于納米氫氧化鎂的等電點高達11.9，可通過靜電吸引吸附帶負電荷的三碳酸雙氧鈾UO2（CO3）34-（鈾在自然環(huán)境中與碳酸鹽形成的配合物），從而完成水中低濃度鈾的提取[9]。

在整個吸附工藝過程中，吸附劑的負載和再生工序都必不可少，尤其是對于重金屬的吸附過程。在進行污水治理的過程中，納米級吸附劑容易隨水流失，給再生造成困難。Zhang等在陽極氧化鋁膜的孔隙，通過化學沉積法制備得到排列整齊的管狀納米氫氧化鎂，將其負載在多孔材料上，在處理過程中充分發(fā)揮兩種水處理方法的優(yōu)勢，起到揚長避短的作用[10]。吸附劑的再生，不僅可使吸附劑重新恢復吸附性能，實現循環(huán)利用，而且也可對重金屬等有利用價值的吸附質進行回收。對于納米氫氧化鎂吸附劑的再生，有報道稱是將其焙燒得到氧化鎂，用于重新制備吸附劑繼續(xù)投入廢水處理，提高了原料的利用率，降低了廢水處理的成本。也有報道是采用外加鹽酸調節(jié)pH值的方法，實現吸附劑和重金屬的分離。Liu等則以二氧化碳作為相轉變媒介，在一定條件下促使納米氫氧化鎂轉化為碳酸鎂，同時完成90%的六價鉻的解吸，上層清液中鉻含量可增濃近40倍[11]。碳酸鎂經過后續(xù)的步驟可重新得到納米氫氧化鎂，從而建立吸附劑的再生循環(huán)，具體過程見圖2。

圖2 納米氫氧化鎂吸附劑再生示意圖

Fig.2 The regeneration process of nano-Mg（OH）2 as absorbent

4 結 論

納米氫氧化鎂等納米級吸附劑有其先進性的地方，但也存在易在水處理過程中流失等缺點，可嘗試將納米材料吸附與其他水處理方法相結合，實現污染治理、重金屬回收和吸附劑可持續(xù)使用的三重目的，真正達到有效預防和經濟治理相結合。此外納米氫氧化鎂吸附性能研究目前還較多處于實驗室操作階段，放大實驗和中試實驗的數據比較缺乏。伴隨納米技術的發(fā)展成熟和性能更優(yōu)越的納米級吸附材料的不斷出現，應將研發(fā)的重點放在現有工藝的調整、改進和優(yōu)化上，以更好在實際應用中發(fā)揮納米氫氧化鎂等納米級材料優(yōu)越的吸附性能，來對抗現階段有機污染和重金屬污染占水體污染比重逐年增大的情況。

參考文獻：

[1]王紹文，姜風有.重金屬廢水治理技術 [M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1993：1-100.

[2]魯俊文，王維，張愛清， 等. 納米氧化鎂的吸附及分解性能研究進展 [J] .硅酸鹽通報，2011，30（5）：1094-1098.

[3]Xiaojun Guo， Juan Lu， Li Zhang. Magnesium hydroxide with higher adsorption capacity for effective removal of Co（Ⅲ） from aqueous solutions [J] .Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers， 2013， 44： 630-636.

[4]翟德偉，陳愛民，倪哲明. 納米氫氧化鎂合成及用于含鉻廢水處理的研究 [J] .科技通報，2007，23（1）：141-145.

[5]胡婉玉，袁新松，郝建文，等. 片狀納米氫氧化鎂吸附鉛離子性能研究 [J] .輕金屬，2012（9）：60-62.

[6]路娟. 納米氫氧化鎂的制備及其吸附性能的研究 [D] .蘭州：西北師范大學，2010.

[7]Chaoran Li， Zanyong Zhuang， Feng Huang， et. al. Recycling rare earth elements from industrial wastewater with flowerlike Nano- Mg（OH）2 [J] .Applied Materials & Interfaces， 2013（5）： 9719-9725.

[8]郝建文，柴多里，楊?？? 片狀納米氫氧化鎂吸附鉛離子吸附平衡與動力學 [J] .硅酸鹽通報，2012，31（5）：1127-1132.

[9]Qing Cao， Feng Huang， Zanyong Zhuang， et.al. A study of the potential application of nano- Mg（OH）2 in adsorbing low concentrations of uranyl tricarbonate from water [J] .Nanoscale， 2012（4）： 2423-2430.

[10]Shuna Zhang， Fangyi Cheng， Zhanliang Tao， et.al. Removal of nickel ions from wastewater by Mg（OH）2/MgO nanostructures embedded in Al2O3 membranes[J]. Journal of Alloys and Compounds， 2006， 426： 281-285.

[11]Weizhen Liu， Feng Huang， YongJing Wang， et. al. Recycling Mg（OH）2 nanoadsorbent during treating the low concentration of CrVI[J]. Environmental Science & Technology， 2011， 45， 1955-1961.

（上接第1591頁）

圖表中我們設定了兩條曲線，計劃值曲線和實習完成值曲線。兩條曲線存在三種表現形式。

圖2 項目進度曲線圖

Fig.2 Project schedule curve chart

第一種情況，計劃值曲線在實際值曲線上方，說明當前實際施工進度落后于計劃進度。為保證工程如期完成，此時應對剩余計劃做適當調整，加快施工進度。

第二種情況，計劃值曲線在實際值曲線下方，則表明當前實際施工進度超前于計劃進度。此時施工進度有了一定的保障，但要注意施工過程中的安全和產品質量。

第三種情況，計劃值曲線和實際值曲線重合，說明實際的施工進度完全按照原定的施工計劃進行，這是一種理想狀態(tài)。通常這幾種情況交替出現，通常滯后的情況居多。

通過三者關系的對比可以直觀的看出目前施工狀態(tài)。當實際曲線高于計劃曲線時，則當前項目進度處于提前狀態(tài)；當計劃曲線高于實際曲線時，則當前項目進度處于滯后狀態(tài)，詳見圖2。下一步需要對項目原定計劃進行相應的修改，從而保證項目能夠按業(yè)主規(guī)定時間進行中交。

4 結 論

綜上所述，采用贏得值法進行工程項目的費用、進度綜合分析控制是一個復雜施工管理過程，隨著工程管理的不斷提高，工程管理水平將會達到更高水平。

參考文獻：

[1]張雪蓮.”贏得值”法控制工程成本分析[J].生產力研究，2009（10）：47-47.

[2]劉麗嬌.如何進行施工項目成本核算與分析[J].經營管理者，2010（10）：74-74.