重金屬離子吸附材料的研究進展

孫夢臨

關鍵詞：重金屬離子;吸附材料;研究進展

重金屬是指相對原子質量為63.50～200.06、相對密度大于5的金屬，目前發(fā)現的約有45種，通常是原子序數為24以上的過渡金屬元素，具有代表性的重金屬元素主要有銅、鉛、鋅、鈷、鉻、汞、銀等。銅、鋅、錳等是人體必需的微量元素，其他大部分重金屬元素對人體有害，因為不會被人體內的微生物分解，一旦攝入，就會在體內沉淀，同時與生物分子相互作用，使其失活，因此，重金屬對人體危害很大[1-2]。例如，鎘離子會損害腎臟，銅離子會損害肝臟，鎳離子會引發(fā)皮炎或慢性哮喘。重金屬及其化學合成物造成的環(huán)境污染又稱重金屬污染，主要由采礦、冶金、化工、廢氣排放、污水排放等人為或工業(yè)因素造成，其危害程度因重金屬的濃度而異，主要以化學形式出現在環(huán)境、食物、生物體以及污水中，部分存在于空氣和固體廢物中。重金屬污染目前已成為世界范圍內亟待解決的重大污染問題，是當前的研究熱點和環(huán)境科研人員所面臨的挑戰(zhàn)[3]。由于重金屬不能被微生物分解，環(huán)境介質的污染具有隱匿性、長期性、積累性等特點，目前尚未找到普遍有效的處理方法，有必要深入處理和研究，解決我國環(huán)境中日益嚴重的重金屬污染問題。

1重金屬離子吸附材料現狀分析

重金屬離子吸附材料作為一種新型材料，對解決污染問題具有關鍵作用。吸附材料根據作用原理，可分為化學吸附材料、物理吸附材料以及親和吸附材料;根據材料的形狀和結構特點，可分為多孔吸附材料、無孔吸附材料等;還可以分為有機高分子吸附材料和無機吸附材料、合成吸附材料和天然吸附材料。目前，重金屬離子吸附材料已成為環(huán)境學科的研究熱點。

首先，分類時需要嚴格按照吸附機理進行，包括物理、化學與親和吸附等。物理吸附是指在不改變被吸附物質的物理和化學性質的情況下，將被吸附物質吸附并固定在表面?；瘜W吸附是通過電子轉移與被吸附物質形成化學鍵或配位鍵發(fā)生吸附作用。親和吸附是憑借溶質和吸附劑之間的特殊生物結合力發(fā)揮良好的吸附作用。吸附劑在對重金屬離子進行吸附時，也不可避免地會受到離子的影響。

其次，為了發(fā)揮良好的重金屬離子吸附作用，就要加強對動力學和熱力學之間聯(lián)系的研究。要想加強對吸附熱力學的研究，就要重點分析實驗數據，進而設計幾種不同的等溫吸附模型，計算吸附系統(tǒng)的焓和熵等參數，推動離子吸附過程中各種問題的有效解決。吸附動力學的研究需要嚴格根據吸附量和時間關系曲線進行分析，在對數據進行綜合分析后，根據模型計算，保證實驗數據的準確性。

最后，因為不同材料具有不同的組成部分，一般情況下，重金屬離子吸附材料包括無機、高分子與復合吸附等類型，所以在利用不同的材料時，需要根據不同的應用需求進行選擇，加強對不同吸附材料的等量處理[4]。

2重金屬離子吸附材料的特點

2.1離子選擇性吸附材料

所謂的選擇性吸附，就是因為吸附材料的組成與結構差異性，導致其可以對特殊材料進行有針對性的吸附。因為在正常情況下，吸附劑的選擇性越高，對重金屬離子的吸收效果就會越理想?，F階段，離子選擇性吸附材料包括多種類型：（1）結構包含氨基、羧基和巰基等的配位基團，能夠與特定重金屬離子形成選擇性吸附;（2）被吸附材料能夠實現與特定離子的結合，進而約束離子的選擇性吸附行為。對于模板離子，需要根據不同屬性，將其制成結構和特點較為明顯的特定離子印跡，方便吸附各種材料。

要想充分發(fā)揮螯合吸附材料的作用，需要加強對配位基團與離子的利用，通過有效的配位，使其成為有機金屬螯合物，進而研發(fā)出一種對重金屬離子的選擇性吸附材料。含有硫配位基團的吸附樹脂往往可以選擇性地吸附汞離子和三價金離子。一些國外研究人員以硫脲和尿素為原料，分別合成了含硫鍵的硫脲樹脂和脲醛樹脂，可以選擇性地吸附在含有銅離子、鋅離子和金離子的溶液上，實現對三價金離子的有效分離，吸附容量通?？梢栽O置為52.00和89.22mg/g，在完成吸附后，可以根據情況進行多次反復使用。

與此同時，為了保證良好的吸附性，需要在實際的樹脂制備中充分利用一步法，實現對聚丙烯腈-2-氨基噻唑螯合樹脂的生成，保證其具有理想的吸附效果。在鎳離子、銅離子、鋅離子、鉛離子和汞離子的混合溶液中，樹脂對汞離子具有特異性和選擇性吸附行為，吸附容量可達527.00mg/g，而且不會在使用中對其他離子造成影響。對于存在氮原子配位基團的材料以及銅離子，可以實現良好的匹配，進而有針對性地加強對溶液中銅離子的吸附。另外，還有利用含有氮原子的菲咯啉對納米介孔碳材料進行修飾，該材料可以選擇性地吸附混合離子溶液（含有鈣、鐵、鎳、鋅和銅離子）中的銅離子，去除效能較高，其他離子的去除效能相對較低。有些胺肟基團含量較高的材料對一些放射性離子也具有優(yōu)異的吸附性能，將聚丙烯腈纖維聯(lián)合羥胺反應，能夠實現對胺肟基聚丙烯腈纖維材料的利用，從根本上實現對放射性元素的有效提取，增強吸附性，保證理想的吸附效果[5]。

2.2離子印跡吸附材料

在利用離子印跡技術時，需要加強對陰陽離子的利用，是一種具有特定屬性的新技術。離子印跡技術的使用可以科學地實現對空間結構的組合，加強對模板離子的特異性識別與分離。相關人員以鉛離子為模板制備了二硫代氨基甲酸酯-殼聚糖微球。當溶液酸堿值為6時，可以選擇性吸附鉛離子，吸附容量可達358.00mg/g。另外，利用該材料時，需要將殼聚糖、二乙烯基苯等作為基礎原料，科學地制備出銀離子實心顆粒與空心顆粒等不同形態(tài)的銀離子印跡顆粒，這些材料對銀離子的單層吸附容量優(yōu)異，對銀銅離子及鋅銀離子的吸附選擇性因子均大于4，表現出優(yōu)異的吸附選擇性。

2.3降解生物質基材料

纖維素、木質素等可再生生物質資源的顯著屬性在于其具有較高的利用效果，利用成本較低，能夠實現有效降解?，F階段，將應用范圍比較廣泛的天然物質可降解吸附材料應用于廢棄物的回收和利用，具有顯著的成效。利用生物質資源的目的就是制造重金屬離子吸附材料，不僅孔隙率相對較高，而且使用的表面積較大，能夠吸附重金屬離子。生物質富含羧基、氨基等重金屬離子吸附劑，可通過離子交換和螯合吸附離子。但是在實際利用過程中，將天然生物質資源用于重金屬吸附劑吸附能力較差的吸附工作，可以有效解決吸附選擇性低的問題。為了保證吸附材料的生物屬性，研究人員采用化學改性以及材料復合的方法制備了吸附性能更好的可降解吸附材料[6]。F976FBC5-D976-4DB3-9C3D-13B2EE44AE70

纖維素是大自然中的天然資源，屬于D-吡喃葡萄糖經過糖苷鍵連接后形成的一種有效的高分子多糖，能夠通過使用馬來酸酐酯化纖維素保證表面羧基升高，改性后纖維素的吸附性能夠達到173.00mg/g。另外，還可以采用溶膠-凝膠法制備磁性殼聚糖-纖維素復合微球，其對銅離子的吸附量高達76.00mg/g。共存離子對吸附性能影響不大，即使在解吸和重復使用后，仍具有優(yōu)異的銅離子吸附性能。

殼聚糖是甲殼素脫乙酰化得到的線型聚合物，其分子結構中含有許多能與金屬離子直接配位的基團，如氨基、羧基等，這些活性基團也很容易轉化為殼聚糖。專業(yè)人士利用硫脲等材料研制成席夫堿殼聚糖，經過改性后，殼聚糖對六價鉻和鎘離子的吸附容量和去除率都可以顯著提高。另外，將殼聚糖分子包裹在磁性納米氧化鐵表面，利用可降解酮戊二酸制備殼聚糖納米材料，屬性為磁性，對銅離子的最大吸附容量可達96.00mg/g，配合磁選技術可反復利用。充分利用殼聚糖凝膠對硅藻土進行包裝，能夠有效制備殼聚糖復合吸附材料，對汞的單層吸附量高達116.00mg/g，比未改性硅藻土高。因此，這種吸附能力大大提高，是通過調整殼聚糖的離子完成的。

木質素作為一種芳香性較強的生物資源，具有較高的儲存量和吸附性，經過反復重整和處理后，能夠實現對高吸附性重金屬離子吸附材料的利用。在此過程中，能夠充分利用甘氨酸、胱氨酸接枝等制備吸附劑。羧基和氨基基團的引入允許吸附材料影響銅離子，對銅離子和鉛離子的吸附容量分別可達76.00、92.00mg/g。另外，使用堿性木質素、聚乙烯亞胺和二硫化碳制備的多孔木質材料，由于材料比表面積和孔徑的增加以及氮和硫原子的引入，對鉛離子的吸附能力高達190.00mg/g，和堿性木質素相比，性能提高13倍，在研究吸附動力學時發(fā)現，對于離子的吸附，需要嚴格按照二次動力理論來完成，以保證其自熱屬性。

農林廢棄物屬于一種農林加工產品，主要利用的原材料包括果皮、甘蔗等，這些材料用于吸附材料的開發(fā)時優(yōu)勢顯著，而且利用成本較低、降解屬性較強，可以被相關環(huán)境工作者廣泛利用。例如未經處理的咖啡豆殼對溶液中銅離子、鎘離子和鋅離子的吸附性分別為65%、85%及64%，而花生殼對銅離子和三價鉻離子的飽和吸附容量分別為26.00、27.88mg/g，因此，可以快速達到吸附平衡。

3重金屬離子

吸附材料的研究展望吸附法以其高效、易操作、選擇性高等優(yōu)點占據重要地位，開發(fā)成本低、選擇性更好的吸附材料是當前研究的重點。以秸稈、稻殼、木屑等農林廢棄物、鋼渣等工業(yè)廢棄物、污水處理廠殘渣等為原料生產新型吸附劑，不僅能有效處理農林殘渣以及工業(yè)廢物，也可以循環(huán)利用并提供給污水處理行業(yè)。通過使用更便宜、應用范圍更廣的材料，真正實現了“以廢治廢”的目標。

未來重金屬離子廢水處理領域的研究主要集中在以下方面：通過各種方式提升吸附效率，優(yōu)化技術，大幅度降低建造成本，開發(fā)更有效的可降解、無污染、可回收吸附材料;將現有研究成果轉化為實際應用，探索新型吸附劑在復雜工業(yè)廢水環(huán)境中的吸附效果，并采用現代化科研手段進行分析和改進，對于有顯著影響的因素和吸附劑，必須根據實際需要進行改進和優(yōu)化。F976FBC5-D976-4DB3-9C3D-13B2EE44AE70