對載有納米顆粒的離子交換樹脂去除水中的重金屬的概述

劉雁濱，張凡

1石家莊市橋東污水治理工程籌建處；2河北昊源環境工程有限公司

對載有納米顆粒的離子交換樹脂去除水中的重金屬的概述

劉雁濱1，張凡2

1石家莊市橋東污水治理工程籌建處；2河北昊源環境工程有限公司

近年來由于與金屬電鍍設備等相關行業的迅速發展，使得重金屬污染成為當前急需解決的環境問題。水中重金屬包括鉛、銅、鐵、錳、鎳、鋅、鉻、鎘、汞、鋁等金屬。處理重金屬的方法也有很多，如化學沉淀技術、膜技術、吸附技術、離子交換技術等。本文是對廣泛使用的離子交換技術各種方法的概述。包括螯合樹脂、氧化還原樹脂、兩性樹脂對重金屬去除的優勢的概述。

納米顆粒；重金屬；離子交換

1 引言

1.1 水中的重金屬

水是維持生命的重要資源，同時水也不是無限度使用的，其地下水只占總水量資源的0.6%。重金屬元素的原子重量在63.5和200.6之間，其比重大于5.0。與金屬電鍍設備等行業的快速發展，采礦作業、肥料行業、制革廠、電池、紙工業和農藥廠等等，越來越多的重金屬廢水直接或間接的排入環境，尤其在發展中國家。重金屬進入到人體內通過食物、水、空氣和皮膚接觸當人們進行農業、工業或者在日常生活中，與有機污染不同，重金屬不能被生物降解，傾向于積累在生物中。當其不能由人體代謝并且會積累到人體的軟組織時，重金屬就會變得有毒性。重金屬污染，即使是微量水平也會被認為是人類的風險。由于其較高的毒性使得去除廢水和飲用水中的重金屬有重大意義。Pb2+、Cu2+、Fe3+、Mn2+、Ni2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、Al3+和Cr3+尤其常見的金屬，往往積聚在生物，引起多種疾病。

1.2 各類重金屬的危害

1.2.1 鉛

鉛是歸類為危險品和鉛中毒會導致許多疾病,鉛可以引起中樞神經系統損害，鉛還可以損害腎臟、肝臟和生殖系統，基本的細胞能損壞其大腦功能。如高血壓、腎炎、發展缺陷、語言障礙、毒癥狀貧血、失眠、頭痛、頭暈、易怒、肌肉薄弱、幻覺和腎損害。

1.2.2 鎘

鎘離子也被認為是極其毒性的金屬離子當它的濃度超過0.01mg/L時，這是人類許可的最大鎘離子范圍。鎘被美國機密環境保護署作為人類致癌物，對人體健康又嚴重風險，慢性接觸鎘導致腎臟功能障礙和高水平的接觸會導致死亡。

1.2.3 銅

銅離子在今天被廣泛的應用，并且被認為是人類身體不可缺少的重要元素。然而，像很多其他的重金屬一樣，當它在一定的濃度范圍內，對人類有潛在的毒性。很多疾病都是來源于人體內存在的銅元素，例如嘔吐、痙攣、抽搐、腎功能衰竭和肺癌的形成就是體內銅元素起到了很大的作用。

1.2.4 鋅

鋅是人體健康所必須的痕量元素，對于活的組織的生理功能和調節許多生化過程有很重要的作用。然而，過多的鋅也會產生健康問題，如胃痙攣、皮膚過敏、嘔吐、惡心和貧血。

1.2.5 鎳

鎳超過其臨界水平可能帶來嚴重的肺和腎臟問題，除了胃腸不適，多元肺病外，還會產生皮膚纖維化和皮炎。并且眾所周知，鎳是人體致癌劑。

1.2.6 汞

汞是一種神經毒素，破壞神經中樞系統。高濃度的貢引起肺和腎臟功能受損、胸痛和呼吸困難。汞中毒的典型例子是水俁灣。

1.2.7 鉻

在水生環境中存在的鉻主要有兩種形式。通常，鉻（Ⅵ）通常要比鉻（Ⅲ）的毒性大，鉻（Ⅵ）影響人體生理學，食物鏈積累導致嚴重的健康問題，從簡單的皮膚刺激到肺部腫瘤。

1.3 除重金屬的方法

如何有效地從水系統中并且深入的去除重金屬對環境工程技術仍然是具有挑戰性的任務。如今對重金屬的高效去除提出了很多有效的辦法，包括但不限于化學沉淀、離子交換、吸附、膜過濾和電化學技術。

1.3.1 化學沉淀

化學沉淀廣泛應用在工業制造中，因為相對簡單的操作和廉價的成本。在沉淀過程中，與金屬離子形成不可溶解的沉淀。可以用沉積和過濾的方法將沉淀從水中分離出來。處理后的水可以輕輕倒出適當排放或者再次利用。傳統的化學沉淀包括氫氧化物沉淀和硫化物沉淀。

1.3.2 離子交換技術

離子交換過程廣泛應用于去除廢水中的重金屬離子，能有效的從溶液或者固相中使得離子交換樹脂直接與重金屬接觸來恢復重金屬種類的方法。離子交換有很多好處，例如較高的處理量、易再生操作、較高的去除效率和快速動力學。此外，它也可以被分為陽離子交換樹脂、陰離子交換樹脂和螯合樹脂交換。根據不同的官能團，離子交換樹脂可以妥善的處理一些重金屬如銅、鎳、鈷、鎘、鋅和鋁。在離子交換系統中，聚合物樹脂的使用較為普遍。

1.3.3 膜技術

膜技術是近年來興起的深度凈化技術，使用膜技術取代現有的工業過程的分離和凈化可以減少成本和降低整體消耗的能量，現有的膜技術包括超濾（UF）、納濾（NF）和反滲透（RO）。

2 離子交換樹脂分類

離子交換樹脂擁有各種不同類型的交換，其材料可以分為天然樹脂和合成樹脂。此外，按照功能基團可以分為陽離子交換樹脂、陰離子交換樹脂、氧化還原樹脂、兩性樹脂以及螯合樹脂。根據不同的官能基團，可以處理一些重金屬如鉻、鎳、鈷、鎘、鋅和鋁。

2.1 螯合樹脂

盡管離子交換樹脂可以去除金屬離子的毒性，但是螯合樹脂因其自身的選擇性更容易進行離子交換。螯合樹脂在因為其易操作性、相對較低的成本、和可以在相對較低的濃度下有效的去除重金屬離子。一些研究者通過聚合單體如丙烯酸、甲基丙烯酸、烯丙基硫脲等來合成復雜的傳統的螯合吸附劑，然后使之與低分子量反應形成螯合樹脂。改性天然聚合物基質的功能化反應也被應用于創建一個螯合樹脂。

2.2 兩性樹脂

去除痕量重金屬可以通過選擇性離子交換過程，Lewatit CNP80（弱酸性）和Lewatit TP207（弱酸性螯合劑）由于樹脂具有較高的樹脂容量和較快的吸附動力學，例如去除鉛、銅、鋅、鎳等離子。通過控制部分中和的兩性離子交換樹脂改善金屬分。用Amberlite IR-120樹脂去除鎳、鋅。

3 結論

目前的研究表明，廣泛應用的離子交換樹脂中螯合樹脂的應用最為廣泛，其發展前景也最為可觀。不同的螯合劑對重金屬離子的去除和環境行為有著不同的效果。總之，有很多研究關于去除重金屬的離子交換樹脂。通過不同的離子交換樹脂在水生環境中也有很多局限性需要考慮，需要進一步對這種材料和技術進行研究和探索。