废水中重金属离子回收的现状研究_王军.pdf

清 洗 世 界Cleaning World专论与综述专论与综述专论与综述专论与综述第39卷第3期2023年3月0 引言工业革命以来，最重要的环境问题之一就是重金属污染，工业快速发展的同时重金属也随着工业化废水大量被排放到自然环境中。技术、工业和城市的快速发展导致供水中有害重金属离子污染的增加，在金属电镀、采矿、冶炼电池制造、印刷和农药生产的工厂所排放的废水中含有大量镉、锌、铜、镍、铅、汞和铬。这些重金属在自然环境中不但无法降解并且还会随着食物链在生物组织中不断积累，最终进入人体，由于重金属离子能附着在生物体内的蛋白质、核酸和小代谢物上，因此，重金属离子会给动物和人类带来重大健康问题，其中最基本的问题之一是人体无法代谢金属。这些重金属进入人体后会使器官萎缩、致癌、导致神经系统破坏、免疫系统破坏和重大疾病。重金属会在骨骼、脂肪、肌肉和关节中沉淀，导致一系列疾病和病痛。因此，在工业废水中除去重金属非常重要。现阶段有许多废水处理方法非常有效，但价格昂贵，因此科研人员一直在努力制备出更加廉价的吸附剂。这些吸附剂通过化学沉淀、离子交换、膜分离、反渗透、电渗析、溶液萃取等手段将重金属从污水中分离出来。1 植物对重金属的吸附植物的树叶粉末可以作为吸附剂来使用。这些植物的废弃物有许多优点，如：提取技术简单、过程处理少、吸附能力好、可以选择性吸附重金属离子、成本低甚至可以免费使用和易于再生。稻草是一种廉价、易得的基质，具有转化为生物吸附剂去除废水中重金属的潜力。Prakash Bhadoria 等使用当地的稻草作为原材料，制备一种经济的稻草重金属废水回收吸附剂。实验中制备了三种生物吸附剂，即生物吸附剂（RRS）、碱吸附剂（ARS）和生物炭吸附剂（BRS），并分析了它们对 Cd 和 Zn 的吸附能力。同时在实验中讨论了制备工艺 pH、接触时间、金属浓度和吸附剂量。用红外光谱和扫描电子显微镜对吸附剂进行表征，用原子吸附光谱对金属吸附进行定量。在单因素对比实验发现三种吸附剂对 Cd（II）离子的吸附量高于 Zn（II），RRS 的吸附量最高，分别为 20.9%和 8.4%。对于所有吸附剂，Cd（II）和Zn（II）的最佳 pH 值分别为 4 和 5。Cd（II）的最佳吸附剂剂量为0.1、0.1和0.55 g，而对于Zn（II），RRS、ARS 和 BRS 的最佳吸附剂量分别为 0.55、0.1和 0.1 g。吸附容量最符合所有吸附剂的 Freundlich等温线，反映了该吸附材料的非均相性质和良好的吸附过程。制备的吸附剂在去除废水中的重金属方面表现优异，工业应用前景。2 螯合吸附XuYing 等开发了一种能够与污水中重金属螯合的二丙基二硫代磷酸盐来解决废水中的重金属污作者简介：王军（1984-），男，硕士研究生，副教授，主要研究方向：新型建筑材料制备。收稿日期：2022-11-07。文章编号：1671-8909（2023）3-0066-003废水中重金属离子回收的现状研究王 军（厦门大学嘉庚学院 土木工程学院，福建 漳州 363000）摘要：重金属污染已成为当今最严重的环境问题之一。如果不对废水中的重金属去除或回收，可存在很长时间。因此研究人员对重金属的回收一直都很关注。本文介绍了目前回收重金属的方法如离子交换、膜过滤、吸附和电化学方法。通过对比发现离子交换、物理化学吸附和膜过滤依然是较为有效的重金属回收方法。关键词：离子交换；吸附；膜过滤；重金属回收中图分类号：X781 文献标识码：A67第 39 卷王 军.废水中重金属离子回收的现状研究染的问题。XuYing 等进一步研究了二丙基二硫代磷酸酯和螯合重金属的机理。改变溶液的 pH 值研究螯合效果发现，当废水的pH值控制在36时，铅、镉、铜和汞浓度为 200 mg/L 时，二丙基二硫代磷酸盐的耦合率达到 99.9%。废水中的重金属被耦合去除后，铅、镉和铜的浓度分别小于 0.1、0.5 和 0.05 mg/L，这符合了国家对废水的排放要求。能够使用 pH 值区间较大，使得该方法在碱性废水中也可以使用。研究其反应时间发现，Pb、Cd、Cu 的需要反应时间 20 min，Hg 的反应为 30 min。随着 pH 值变化，螯合物对重金属的释放也会在较高 pH 值下释放的较少。但无论哪种 pH 值重金属的释放量都远高于加入的螯合物的浓度，并不会导致再次的环境污染。3 膜去除污水中的重金属Nithinart Chitpong 等通过将聚丙烯酸（PAA）和聚衣康酸（PIA）接枝到纤维素纳米纤维上，制备了高容量膜。利用傅里叶红外光谱对产物进行表征，发现聚丙烯酸和聚衣康酸均已成功接枝到纤维素的相应位点上。Nithinart Chit pong 等设计了一个流动过滤测试：将废水持续通过半透膜，测试该半透膜在特定的 Ca、Ni、Cd 离子浓度下的离子交换能力，利用 Langmuir 模型建立离子交换模型并通过该模型和树脂类模型的等温线对比，PIA 改性膜的最大容量超过 220 mg Cd/g。此外，将废水中 Ca、Ni、Cd 的浓度变化再次通过半透膜，发现该膜对于镉离子具有较好的过滤选择性，这表明该纳米纤维膜能够选择性去除废水中的重金属，特别是对废水中的 Cd 具有较好的选择过滤性，这使得该膜能够用于废水中 Cd 的回收。4 电化学吸附Adekolapo A.Adesida 为了过滤造纸厂排放的废水，Adekolapo A.Adesida 设计了一种电化学过滤的方法，通过分析发现造纸厂的生产废水中含有大量的重金属 Cd、Cr 和类金属 As，这些金属大都以离子形式存在于废水当中，Adekolapo A.Adesida使用两种不同电极，在不同催化剂的作用下对废水中的重金属离子进行过滤，同时不断优化电解质和电极种类，最终得到了一种能够在 pH 值 7 左右的溶液中以 0.05 mg/L 回收重金属离子，同时使得废水中的重金属 Cd（99.9%）、Cr（98.8%）和类金属(As（99.8%）浓度显著降低。Caicai Wu 等为了能够高效的回收重金属，设计了利用多个同心圆的重力场电沉积废水的重金属，再通过转床收集沉积下来的重金属。通过研究电流强度、废水流量、氯化钠浓度 pH 值等外界因素测得当NaCl浓度为0.2 mol/L、废水pH值为2时，通过电沉积法对重金属的回收率能够达到 99.4%。增加重力场继续实验发现，Cd 离子的去除效率、电流效率和沉积物质量分别提高了 18.4%、15.7%和 35.4%。同时在有重力场的情况下，电的消耗量，沉积时间分别降低了 21.7%、42%。通过将沉积物用电镜扫描发现，在重力场的作用下沉积物为片状和层状结构。5 高分子微粒吸附壳聚糖是一种具有多种官能团的有机原料，它能够和许多无机物和有机物一起用于制备新材料。并将这些材料用于处理污水和废水中重金属回收的吸附材料。Kehan Xu 等使用壳聚糖作为原料制备成微粒用以回收造纸污水中的重金属材料。通过研究发现制备的壳聚糖微粒能够吸附 Cu2+和 Cr3+离子。改变吸附时间、pH 值和污水中的重金属初始浓度研究该吸附剂吸附性能。研究表面壳聚糖微粒对 Cu2+和 Cr3+的饱和吸附量分别达到 114.6 和 110.3 mg/g。拟合吸附动力学曲线后表明，该微粒吸附过程包含物理吸附和化学吸附两种。而 Kehan Xu 的研究进一步表面壳聚糖微粒在吸附过程中两种吸附之间影响不大。吸附后脱吸附过程简单。同时壳聚糖广泛来源于甲壳类动物的壳中，具有来源广泛，成本低廉的特点。所以壳聚糖微粒被认为是一种具有良好可再生的经济性吸附剂。6 结论文中我们讨论了废水中的重金属的处理方法，包括植物吸附，螯合吸附，电化学吸附，微粒吸附等。其中植物吸附成本最低，效果较高，但过多的植物粉末投入水体后会大量消耗水体中的氧，这对水生的动植物均有极大的影响。螯合吸附和电化学吸附，吸附的效率相对较高，但经济成本同时也较高。膜过滤的方法过滤和吸附效果高于植物吸附，不同种类的膜的制备方法不同，对金属离子的过滤的种类68第 3 期清 洗 世 界也不同。纤维素纳米膜由于孔径小，对重金属的排斥反应较好。对于重金属离子来说，UF 膜的孔径仍然被认为太大了。壳聚糖制备的微粒能够很好的吸附重金属，而且壳聚糖低毒和环境可降解性使得其对环境非常友好。回收重金属作为一个重要可课题未来必将更加受到科研人员的关注。此外，为了更好地去除重金属，必须进一步研究微调薄膜和微粒制备方法以及性能；未来的前景应关注提高吸附剂的回收的性能，特别是通过改性和复合方法，以提高吸附剂的相容性。参考文献：1 BhadoriaP，ShrivastavaM，KhandelwalA，etal.Preparationofmodifiedricestraw-basedbio-adsorbentsfortheimprovedremovalofheavymetalsfromwastewaterJ.SustainableChemistryandPharmacy，2022,29:100742.2 YingX，FangZ.ExperimentalresearchonheavymetalwastewatertreatmentwithdipropyldithiophosphateJ.Journalofhazardousmaterials，2006,137(3):1636-1642.3 ChitpongN，HussonSM.High-capacity，nanofiber-basedion-exchangemembranesfortheselectiverecoveryofheavymetalsfromimpairedwatersJ.SeparationandPurificationTechnology，2017,179:94-103.4 AdesidaAA，CarrierA，AdamsM，etal.Simultaneousdegradationofpersistentorganicpollutantsandheavymetalremovalviaanelectrochemicalfiltrationsystem:AcasestudyonapulpmillwastewatereffluentJ.CaseStudiesinChemicalandEnvironmentalEngineering，2022,6:100258.5 WuC，GaoJ，LiuY，etal.High-gravityintensifiedelectrodepositionforefficientremovalofCd2+fromheavymetalwastewaterJ.SeparationandPurificationTechnology，2022,289:120809.6 XuK，LiL，HuangZ，etal.EfficientadsorptionofheavymetalsfromwastewateronnanocompositebeadspreparedbychitosanandpapersludgeJ.ScienceofTheTotalEnvironment，2022,846:157399.应该进行专业的检测，坚决不可采用人工嗅闻的方式。作业全程应该佩戴防护装备，如果人员与安全区的距离超过人的一条手臂长度，则必须佩戴安全绳，一旦发生危险，可及时将其救出。作业全程均必须由至少两人同步操作，以便在危险时相互帮助。硫化氢能够由鼓膜穿孔逐渐进入到肺部，应该定期组织人员体检，确认人员身体健康情况。4.3 急救方法如果出现人员硫化氢气体中毒情况，应该立即将其转移至空气流通良好的位置，保持其呼吸通畅，若条件允许，应给予其吸氧，同时应该为中毒人员提供安静舒适的休养环境，且需要持续观察各项体征的变化。如果中毒人员出现心跳骤停、呼吸骤停等情况，应该立即开展心肺复苏抢救，若昏迷，应将其口腔内异物清除干净，保持呼吸通畅，并立即送医。如果中毒人员出现眼部损伤，应该立即使用清水进行反复冲洗，并