廢水處理吸附汞的吸附材料研究

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摘要：吸附法是處理重金屬廢水的一種有效方法。本文綜述了碳質(zhì)材料、礦質(zhì)材料、高分子材料、生物質(zhì)材料、磁性納米材料吸附水體中汞的研究進(jìn)展,并展望了新型吸附材料應(yīng)具備的特點和磁性納米吸附材料在處理水污染中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：汞；吸附材料；廢水處理

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)今世界的一個極具挑戰(zhàn)的環(huán)境問題。目前,對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,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Hg(II)的去除率并不高,且具有局限性。但其獨特的化學(xué)性質(zhì)和多孔結(jié)構(gòu)可進(jìn)行表面修飾。通常可用增加比表面積、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Hg(II)的飽和吸附量為157.1mg•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Hg(II)有很強(qiáng)的吸附能力。在相同實驗條件下,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191.2mg•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,可用于重金屬離子吸附。礦質(zhì)材料用于吸附時,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149mg•g-1,Hg去除率達(dá)到99.1%,且X型沸石對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Hg(II)具有較強(qiáng)的親和力,吸附量可達(dá)595.2mg•g-1,可將Hg(II)濃度從200μg•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。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)的檢測與吸附,測得該吸附材料對Hg(II)的最大吸附量為143.88mg•g-1,檢出限為84μg•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Hg(II)的最大吸附量為116.27mg•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。

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,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[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,可以增強(qiáng)其對目標(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。該材料的另一個顯著優(yōu)點是,在吸附完成后,吸附材料可通過簡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)對水中Hg(II)的去除效果,該材料的最大吸附量為344.82mg•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380mg•mol-1。此外,該吸附材料在醋酸濃度為1.0mol•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)大這類材料的實際應(yīng)用。

作者：吳小瓊 殷平 徐強(qiáng) 劉希光 徐彥賓 楊正龍 孫文娟 單位：魯東大學(xué)