重金屬脫除方法機(jī)理淺析

摘 ?要：近年來，隨著工業(yè)污染加劇，重金屬帶來的污染問題越發(fā)嚴(yán)重，各行業(yè)都面臨利用各種技術(shù)方法脫除其中的重金屬的問題。文章對(duì)重金屬脫除方法進(jìn)行了歸納，并對(duì)脫除機(jī)理進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，包括物理法、化學(xué)法、離子交換法、微生物法、活體脫除法、排斥法等。

關(guān)鍵詞：重金屬;脫除方法;機(jī)理

近年來，隨著工業(yè)污染加劇，重金屬帶來的污染問題越發(fā)嚴(yán)重，各行業(yè)都面臨利用各種技術(shù)方法脫除其中的重金屬的問題。目前國內(nèi)外脫除重金屬的方法[1-3]有多種，主要有：物理法、化學(xué)法、離子交換法、微生物法、活體脫除法、排斥法等，現(xiàn)對(duì)各脫除方法機(jī)理淺析如下，僅供參考。

1.物理方法

脫除重金屬的物理方法有很多，其中主要有吸附法、絮凝法、電極法、浸泡法、超聲波法等[1]。

1.1吸附法

吸附法指利用吸附材料的吸附性能對(duì)重金屬進(jìn)行吸附。吸附法中常用的吸附材料為活性炭、沸石、殼聚糖類、改性膨潤土等。

活性炭吸附[3]：活性炭具有微孔發(fā)達(dá)、比表面積高的特點(diǎn)，能與雜質(zhì)充分接觸，當(dāng)這些雜質(zhì)被微孔吸附，起凈化作用。且可以經(jīng)過改性在其內(nèi)表面上嫁接各種基團(tuán)如羰基、羧基等，改性后的活性炭吸附能力更強(qiáng)，是一種優(yōu)良的重金屬吸附材料?；钚蕴课街亟饘匐x子的機(jī)理主要有物理吸附，金屬離子與活性炭表面的離子交換，金屬陽離子與活性炭表面的靜電作用等。

沸石吸附[5-6]：吸附和離子交換雙重作用，可以通過高溫煅燒法以及堿改性法有效提高吸附容量及對(duì)金屬陽離子的吸附能力。

殼聚糖類[7-10]吸附法：殼聚糖是天然生物高分子化合物甲殼素的脫乙?；a(chǎn)物，殼聚糖分子中具有氨基和羥基，可絡(luò)合金屬離子，相比較堿金屬，殼聚糖對(duì)重金屬具有更好的選擇性，同時(shí)無毒，無污染，可以生物降解的特點(diǎn)使其更適合應(yīng)用于食品工業(yè)中。殼聚糖與金屬離子作用機(jī)理：金屬離子主要通過三種方式與殼聚糖結(jié)合，包括離子交換、物理吸附與螯合。殼聚糖對(duì)鎘的配位，隨殼聚糖用量的增加，配位時(shí)間的延長，其配位能力增強(qiáng)。一般在酸性條件下，隨著PH的增加，吸附容量增加。

羧甲基殼聚糖[8-9]是殼聚糖經(jīng)化學(xué)改性得到的水溶性衍生物，由于羧基的引入，使其結(jié)合金屬離子能力大大提高，絡(luò)合反應(yīng)相對(duì)于未經(jīng)改性之前的殼聚糖而言，變得迅速。

改性膨潤土吸附[1]：改性膨潤土對(duì)鎘具有較好的吸附性能，PH是影響改性膨潤土對(duì)重金屬離子吸附的重要因素，吸附的最佳PH范圍為5-7。

1.2絮凝法

絮凝法[6]去除重金屬的原理主要是通過靜電吸附，電性中和，黏附、架橋和交聯(lián)作用破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使微粒之間通過相互聚集而形成較大顆粒，在重力作用下沉降，最終達(dá)到分離的目的。絮凝劑可分為無機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑和微生物絮凝劑。

1.3電極法

電極法的原理是在電場(chǎng)作用下，利用電遷移、電滲析和電泳等脫除固體中的重金屬。

1.4浸泡法

浸泡法適用于處理量較小，重金屬含量較低的固體，其原理是通過利用多相浸泡滲透壓平衡來達(dá)到脫除重金屬的目的。在浸泡過程中，部分重金屬會(huì)遷移到浸泡液中，且溫度越高遷移越多。

1.5超聲處理法

超聲處理法的原理是利用超聲波的空化[11]效應(yīng)，在固體表面形成很多小泡，小泡會(huì)不斷膨脹，當(dāng)膨脹到一定程度時(shí)會(huì)停止吸收能量，同時(shí)瞬間發(fā)生坍塌，小泡坍塌的瞬間會(huì)產(chǎn)生高溫、高壓，從而使重金屬分離。

2.化學(xué)方法

化學(xué)法脫除重金屬的機(jī)理為通過化學(xué)提取劑將不溶態(tài)重金屬化合物轉(zhuǎn)變成可溶性離子態(tài)，當(dāng)重金屬從固相進(jìn)去液相后，加入堿性物質(zhì)或者硫化物[1，12]，如碳酸氫鈉、氧化鈣、硫化亞鐵、硫化氫等。研究常用的化學(xué)提取劑包括有機(jī)酸、無機(jī)酸、絡(luò)合劑或螯合劑和一些無機(jī)化合物。

2.1無機(jī)酸和有機(jī)酸

常用無機(jī)酸主要有硝酸、鹽酸和硫酸[1，13]，有機(jī)酸主要一般為檸檬酸[1，13-14]、草酸[1，13]和乳酸[15]，目前去除固體中超標(biāo)的重金屬多采用有機(jī)酸來脫除。酸處理后，重金屬溶出，進(jìn)入液相，可通過添加氧化鈣、氫氧化鈉、碳酸氫鈉等堿性物質(zhì)或硫化鈉、硫化亞鐵等硫化物使其沉淀從而得到去除。

2.2絡(luò)合劑

利用有機(jī)絡(luò)合劑[16-17]來去除重金屬的原理是在一些不溶或難溶的金屬化合物中加入絡(luò)合劑后，利用其對(duì)于重金屬的螯合能力，將其轉(zhuǎn)化為可溶態(tài)的金屬絡(luò)合物予以去除。較強(qiáng)的螯合劑如EDTA、NTA、植酸可與重金屬發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)。溶解的重金屬可用石灰沉淀回收，或用氫氧化鈣將PH調(diào)到7.0后回收重金屬離子。EDTA作為脫除劑存在以下優(yōu)點(diǎn)，如具有螯合眾多重金屬的能力，適用范圍廣、洗脫效果較表面活性劑等更好等優(yōu)點(diǎn)。作為傳統(tǒng)的絡(luò)合劑，EDTA有著較長的應(yīng)用歷史，曾作為食品添加劑來控制重金屬含量，但由于其過量使用及隨意排放也使EDTA成為一種污染物質(zhì)而限制了其應(yīng)用。植酸作為新型無污染絡(luò)合材料開始尤為關(guān)注，植酸有羧基和磷酸基等大量的活性基團(tuán)，具有很強(qiáng)的金屬鰲合能力。

絡(luò)合法處理重金屬雖然在選擇性和脫除率方面有其優(yōu)勢(shì)，但脫除過程中固液分離較為困難，以EDTA為例，加入后只是改變了重金屬的存在形態(tài)，使重金屬與絡(luò)合劑結(jié)合降低其毒性，很難真正意義上去除重金屬離子。且同時(shí)還帶入了魚仔中不能添加的EDTA殘留物質(zhì)。

2.3無機(jī)化合物

某些無機(jī)化合物可以用來萃取重金屬，如三氯化鐵[1]。三氯化鐵萃取重金屬主要通過以下兩方面實(shí)現(xiàn)，一方面，三氯化鐵水解之后可使溶液呈酸性，此時(shí)對(duì)重金屬的萃取相當(dāng)于酸浸取;另一方面，氯離子某些時(shí)候會(huì)充當(dāng)絡(luò)合劑，與重金屬結(jié)合形成可溶性絡(luò)合物，使重金屬能夠溶解在溶液中。

某些無機(jī)化合物通過化學(xué)反應(yīng)改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)[18]，使其轉(zhuǎn)化為低溶解性、低遷移性和低毒性物質(zhì)的過程。如氯化鐵和硫酸鐵是一類重要的重金屬污染土壤修復(fù)材料，可以用來固定或洗脫土壤中重金屬如砷、鉻和鎘。

2.4表面活性劑

表面活性劑是一種活躍于表面和界面的物質(zhì)，它具有非常高的降低界面和表面之間的效率和張力。又因它既有親水性又有親脂性，常用于難降解、難利用的重金屬等污染物的去除。作為固體物質(zhì)的重金屬脫除劑，表面活性劑通常在低濃度時(shí)就能夠降低水溶液和其它溶液體系表面的張力[1]。其脫除重金屬的機(jī)理包括溶解、離子交換和電荷交換等。目前研究常用的表面活性劑包括陽離子交換樹脂、陰離子表面活性劑和季氨鹽表面活性劑。

3.離子交換法

離子交換法[1]是利用離子交換與液體中的離子發(fā)生置換作用而使離子分離的方法。離子交換劑通常是一種不溶性高分子化合物，如樹脂[19]、纖維素、葡聚糖、醇脂糖等，它的分子中含有可解離的基團(tuán)，這些基因在水溶液中能與溶液中的其它陽離子或陰離子起交換作用。

4.微生物法

微生物法[2，20]又稱生物淋濾法，該法通過利用微生物的直接或者間接新陳代謝作用，如發(fā)生氧化、還原、溶解或者吸附的作用，把固相中重金屬分離進(jìn)入液相的技術(shù)。目前研究主要是嗜酸微生物，如氧化亞鐵硫桿菌和氧化硫硫桿菌。將不溶性重金屬轉(zhuǎn)換為可溶性金屬離子后通過化學(xué)沉淀的方法將重金屬從溶液中分離出來。

微生物法脫除食品中重金屬的研究較多，效果也比較顯著，但脫除機(jī)理尚不明確，仍處于起步階段。微生物法低成本、低能耗，有著遠(yuǎn)大前景，但是由于不易控制，而且所需處理時(shí)間較長，想要應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)受到較大的阻礙。

5.活體脫除法

活體脫除法是指通過將生物活體轉(zhuǎn)移至潔凈的水環(huán)境中，在無污染的水環(huán)境暫養(yǎng)[16-17]，向其飼料、餌料或水中加入能夠脫除重金屬的添加劑如殼聚糖、微藻活體、維生素等[1，17]，利用其自身代謝過程將本身體內(nèi)的重金屬等污染物排出體外直至達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)的過程。但此方法所需成本較高，花費(fèi)時(shí)間較長，且重金屬的去除效果并不理想。

6.排斥法

Ca、Fe、Zn等元素與Pb、Cd都是二價(jià)金屬元素，在體內(nèi)代謝過程中存在競(jìng)爭(zhēng)作用，Ca、Fe、Zn的供給能抑制重金屬Pb、Cd在體內(nèi)的蓄積。如Cd與魚仔體內(nèi)蛋白（MT[21]）結(jié)合成鎘硫蛋白（Cd2+-MT），很難通過潔凈海水凈化脫除。但利用蛋白水解肽-金屬配合物（包括鐵肽、鈣肽、鎂肽和鋅肽）與鎘硫蛋白發(fā)生置換反應(yīng)，亞鐵離子（Fe2+）、鈣離子（Ca2+）、鎂離子（Mg2+）、鋅離子（Zn2+）可與鎘離子（Cd2+）競(jìng)爭(zhēng)金屬硫蛋白MT，形成比鎘硫蛋白更為穩(wěn)定的鐵硫蛋白（Fe2+-MT）、鈣硫蛋白（Ca2+-MT）、鎂硫蛋白（Mg2+-MT）、鋅硫蛋白（Zn2+-MT），從而使Cd從魚仔體內(nèi)脫出。

值得注意的是，對(duì)于可食用的產(chǎn)品而言，在重金屬脫除過程中，食品中營養(yǎng)物質(zhì)也會(huì)隨著重金屬脫除過程而脫除，需要引起關(guān)注。

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作者簡(jiǎn)介：厲志偉（1986-），男，大專學(xué)歷，工程師，研究方向：化學(xué)、儀器分析。