應(yīng)用于廢水處理中吸附汞的吸附材料研究

吳小瓊 殷 平 徐 強(qiáng) 劉希光 徐彥賓 楊正龍 孫文娟

(魯東大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264025)

汞(Hg)是一種有毒的重金屬，在環(huán)境中有三種主要存在方式：元素汞、無機(jī)汞、有機(jī)汞。無機(jī)汞離子在一定條件下能夠轉(zhuǎn)化為毒性較強(qiáng)的有機(jī)汞，如甲基汞易穿透生物膜，通過食物鏈在人體內(nèi)聚集，其毒性能損害人體器官、免疫系統(tǒng)、中樞系統(tǒng)等。水體中Hg(II)來源于電鍍、電池、冶金、皮革、化工等行業(yè)，水體汞污染已成為當(dāng)今世界的一個(gè)極具挑戰(zhàn)的環(huán)境問題。目前，對(duì)水體汞污染的處理辦法主要包括吸附法[1]、沉淀法[2]、離子交換法[3]、膜分離法[4]、電化學(xué)處理技術(shù)[5]等。其中吸附法是一種重要的化學(xué)物理方法，以其良好的選擇性、高效率、穩(wěn)定性、易再生和重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于含汞污水處理。吸附材料表面存在羥基、羧基、氨基、巰基等活性基團(tuán)，可與金屬離子形成離子鍵、共價(jià)鍵、配位鍵、氫鍵等[6]，從而達(dá)到吸附金屬離子的目的。吸附過程在設(shè)計(jì)和操作上具有靈活性，并且在特定情況下吸附是可逆的，通過適當(dāng)?shù)墓に嚳墒刮讲牧显偕鶾7]。

1 各類吸附材料在吸附廢水中汞的應(yīng)用

吸附材料的性質(zhì)是影響吸附性能最為關(guān)鍵的因素，吸附材料的選擇要考慮到比表面積、孔隙構(gòu)造、表面化學(xué)結(jié)構(gòu)與電荷性質(zhì)、穩(wěn)定性等因素。

1.1 碳質(zhì)材料

碳質(zhì)吸附材料主要包括活性炭、碳納米管、石墨烯等。碳質(zhì)材料由于比表面積高且含有大量中孔與大孔而被廣泛用作吸附材料。然而，未經(jīng)改性的碳質(zhì)材料對(duì)Hg(II)的去除率并不高，且具有局限性。但其獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)和多孔結(jié)構(gòu)可進(jìn)行表面修飾。通?？捎迷黾颖缺砻娣e、引入表面活性基團(tuán)和負(fù)載活性物質(zhì)等方法來提高其吸附性能。Xu等[8]通過調(diào)整目標(biāo)碳材料的孔隙結(jié)構(gòu)、石墨化程度、雜原子等，制備了多孔乙炔碳材料(SACM)，對(duì)Hg(II)的飽和吸附量為157.1 mg·g-1，吸附性能優(yōu)于常規(guī)碳材料。Li等[9]在碳材料上接枝烷基基團(tuán)合成了一系列烷基功能化碳材料(ACMs)，由于烷基化基團(tuán)與Hg(II)間存在強(qiáng)烈的相互作用(軟堿與軟酸絡(luò)合)，ACMs對(duì)Hg(II)有很強(qiáng)的吸附能力。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，多鹵代芳烴的吸附性能較鹵代烴好，且比表面積越大，吸附量越大。其中ACM-5吸附性能最好，其飽和吸附量可達(dá)到191.2 mg·g-1。

1.2 礦質(zhì)材料

常見的礦質(zhì)材料包括海泡石、硅膠、沸石、黏土、膨潤土等，由于材料來源廣泛、價(jià)格低廉、環(huán)境友好而受到關(guān)注。礦質(zhì)材料因具有可交換的陽離子、表面負(fù)電荷、表面活性羥基、較大的比表面積和孔道結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，可用于重金屬離子吸附。礦質(zhì)材料用于吸附時(shí)，一般也需要加工和改性來提高吸附性能。王思陽等[10]以煤矸石為原料合成了X型沸石，在最佳吸附條件下，其最大吸附量為149 mg·g-1，Hg去除率達(dá)到99.1%，且X型沸石對(duì)Hg(II)的吸附量約為煤矸石的4倍，說明合成的X型沸石吸附性能良好。

1.3 高分子材料

吸附性高分子材料分為天然和人工合成的高分子材料。常見的天然高分子吸附材料有殼聚糖、纖維素、海藻酸鹽等；人工合成的高分子吸附材料有離子交換樹脂、螯合樹脂等。Xu等[11]合成了一種富硫微孔聚合物(SMP)，該聚合物對(duì)Hg(II)具有較強(qiáng)的親和力，吸附量可達(dá)595.2 mg·g-1，可將Hg(II)濃度從200 μg·L-1降低到可接受的飲用水水平，展示了其在廢水處理中的應(yīng)用潛力。

1.4 生物質(zhì)材料

生物質(zhì)材料包括藻類、菌類、農(nóng)林廢棄物以及生物質(zhì)提取物等，具有成本低、污染小、來源廣泛、可再生等特點(diǎn)。Li等[12]成功合成了新型纖維素基熒光生物吸附材料，用于水中Hg(II)的檢測(cè)與吸附，測(cè)得該吸附材料對(duì)Hg(II)的最大吸附量為143.88 mg·g-1，檢出限為84 μg·L-1。Foroutan等[13]以蛋殼廢棄物為原料制備納米顆粒吸附材料，對(duì)Hg(II)的最大吸附量為116.27 mg·g-1，該吸附材料使用7次后，吸附效率僅降低10%。與其它吸附材料相比較，生物質(zhì)材料具有成本低、二次污染少等優(yōu)點(diǎn)。

1.5 磁性納米材料

磁性納米粒子(MNPs)作為固相吸附材料，具有強(qiáng)磁性、高比表面積、耐久性和低毒性等優(yōu)點(diǎn)，是一種高容量、高效率的吸附材料，含鐵氧化物(Fe3O4)顆粒以其低成本、低毒、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[14]，成為目前最受歡迎的磁性材料。在復(fù)雜的環(huán)境條件下，裸露的磁性Fe3O4顆粒易團(tuán)聚，其磁性可能發(fā)生改變。但由于其顆粒表面有羥基存在，因此具有表面改性的能力，為了提高超順磁性Fe3O4納米粒子的穩(wěn)定性與生物相容性，常采用表面活性劑或聚合物進(jìn)行表面改性，使其表面附著不同功能的多種表面官能團(tuán)。當(dāng)某些官能團(tuán)與磁性納米粒子結(jié)合時(shí)，可以增強(qiáng)其對(duì)目標(biāo)金屬的親和力，從而更好地從廢水中去除或回收金屬離子。該材料的另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是，在吸附完成后，吸附材料可通過簡(jiǎn)單的磁性工藝從介質(zhì)中分離出來。Fatemeh等[15]研究了硫醇功能化的Fe3O4磁性納米粒子(TF-MNPs)對(duì)水中Hg(II)的去除效果，該材料的最大吸附量為344.82 mg·g-1。結(jié)果表明，TF-MNPs能有效地去除水體中的Hg(II)，并且TF-MNPs可通過磁選的方法提高對(duì)Hg(II)的吸附能力。Shen等[16]制備了半胱氨酸功能化的Fe3O4磁性納米粒子，在最佳條件下，Hg(II)的去除率高達(dá)95%，最大吸附量為380 mg·mol-1。此外，該吸附材料在醋酸濃度為1.0 mol·L-1條件下可再生95%，是一種很有應(yīng)用前景的吸附材料。

2 展望

近些年，對(duì)水體中汞的吸附材料的研究已取得了一定的成果。當(dāng)前應(yīng)該解決的問題是，開發(fā)高效、無毒、經(jīng)濟(jì)、易分離的吸附材料，同時(shí)吸附材料的再生和二次污染也應(yīng)當(dāng)是著重考慮的問題。磁性納米材料特別是磁性Fe3O4，可使用聚合物或無機(jī)材料來賦予其表面活性，使其表面功能化，從而從復(fù)雜環(huán)境中有選擇地去除目標(biāo)污染物。另外，磁性納米材料具有較大的表面積和獨(dú)特的磁性，而磁分離似乎是克服吸附材料在吸附過程中與溶液分離能力缺乏，及二次污染限制的最佳方法，是一種非常有應(yīng)用

前景的吸附材料。在未來的研究中，需要更多的嘗試擴(kuò)大這類材料的實(shí)際應(yīng)用。