天然材料改性吸附重金屬的能力研究

馬國斌

（長沙市岳麓區環境保護局湖南長沙410013）

天然材料改性吸附重金屬的能力研究

馬國斌

（長沙市岳麓區環境保護局湖南長沙410013）

重金屬離子在環境中十分穩定，不易被降解，這使得重金屬廢水的處理一直受到國內外學者的廣泛關注。本文將采用花生殼、柚子皮、香蕉皮作為吸附劑，采用磷酸改性，研究天然材料吸附劑改性前后的吸附性能，以期為相關研究提供參考。

重金屬離子；吸附；天然材料；改性

在有色金屬的選礦、冶煉過程中，不少重金屬如鉛、汞、鎘、鋅等進入大氣、水、土壤，對環境產生極大的危害。這些隨廢水排出的重金屬，即使濃度小，也可在藻類和底泥中積累，被魚和貝類體表吸附，經食物鏈進入人體，嚴重危害人類的健康［1］。因此，采用經濟、有效、環保的方法治理重金屬污染已成為當前水處理領域的熱點課題。

1　重金屬廢水常用處理方法

1.1離子浮選法

利用離子浮選法處理重金屬廢水的工作原理是利用表面活性劑與重金屬離子形成不溶于水的物質，并通過氣泡上浮進行分離，從而將廢水中的重金屬離子得以去除。這種處理方法具有工藝簡單、可回收重金屬、選擇吸附能力強等優點，但也存在制造復雜、對廢水預處理要求高、運行費用較高、再生困難等缺點［2］。因此，在實際重金屬廢水的應用上也受到一定的限制，主要用于處理低濃度金屬離子。

1.2化學沉淀法

化學沉淀法是一種比較成熟的處理含重金屬廢水的工藝方法。其應用原理是在廢水中投加諸如石灰、硫化物、鋇鹽等化學藥劑，生成不溶或難溶的化合物沉淀析出［3］。此方法具有工藝簡單、操作方便、去除范圍廣、效率高、經濟實用的特點，但是離子選擇性差，沉渣難于處理，從而造成二次污染問題。

1.3電解法

電解法指應用電解的基本原理，使廢水中的重金屬通過電解在陽、陰兩極上分別發生氧化還原反應，將有毒物質轉化為無毒物質的方法。按照陽極類型的不同，電解法可分為電解沉淀法和回收重金屬電解法。其中電解沉淀法主要用于含鉻工業廢水的治理，一般采用鐵板作為陰極和陽極，在直流電作用下，鐵陽極不斷溶解，產生的亞鐵離子在酸性條件下將六價鉻還原成三價鉻，隨著反應進行，氫離子的濃度逐漸降低，溶液從酸性變為堿性，使Cr3+生成氫氧化物沉淀［4］。電解法不耗化學藥劑，直接用直流電，操作方便，工藝成熟，設備簡單，占地面積小，無二次污染，所沉淀的重金屬可回收利用；缺點是耗電量大，金屬電級易耗損，產生的沉淀物不易處理。

1.4生物吸附法

生物吸附法是一種處理重金屬離子廢水污染的新興的技術，由于部分生物體能吸附廢水中金屬離子，再經過沉淀分離去除，當水中的重金屬離子濃度較低時，可借助于吸附平衡濃縮或去除水中的重金屬離子，還可進一步回收重金屬離子，被認為是一種很具潛力的替代傳統處理方法的技術。

生物吸附是指利用生物材料的吸附作用來處理污染物（包括金屬離子）的方法。這種方法選擇吸附重金屬能力強，處理效率高，操作的pH值和溫度范圍寬，易于分離回收重金屬，只是處理的周期長、費用高。由于在處理重金屬廢水的有效性和經濟性上的可行性，生物吸附法向傳統方法提出了挑戰［5］。

2　天然改性材料對重金屬的吸附

2.1天然改性材料的種類

重金屬廢水主要來源于有色金屬冶煉、礦山開采、機械加工、廢舊電池垃圾處理、以及農藥、醫藥、顏料等生產過程的污水排放。如何高效合理地處理廢水中的重金屬具有重大而深遠的研究意義，利用天然改性材料不失為一種有效的方法。比如一些廉價植物材料，尤其是農業廢棄生物材料，如秸稈類、殼類、果皮類、渣屑類等均可以作為生物吸附劑來處理重金屬廢水［6］。

農林廢棄物作為生物吸附劑用于吸附水體中的重金屬離子時，一方面具有高孔隙率和較大的比表面積，另一方面含有較多的吸附功能團（羥基、羧基、酰胺基、磷酰基等）可以通過離子交換、螯合等方式吸附重金屬離子，具有較突出的天然優勢，加之具有原料來源廣泛、價格低廉和無二次污染等優點，目前已成為重金屬污染處理的一個研究熱點，如果殼、花生殼、蔗渣、玉米芯、秸稈、鋸末、樹皮、甲殼質等廢棄物都已經有過此類研究，并開發出多種性能良好的吸附材料，但是，存在一個現狀就是天然材料吸附重金屬的吸附率低，使用前需要進行化學預處理。化學預處理是指通過各種化學手段處理生物吸附材料，從而改變吸附劑性能的方法。

2.2吸附材料準備

本實驗所用柚子來自農家果樹，留柚子皮備用；香蕉、花生購自農貿市場，留香蕉皮、花生殼備用。將這些材料分別用蒸餾水清洗數次后，放入烘箱中，80℃下烘干，所得烘干每種樣品大約500g。待冷卻至室溫后，粉碎，過18目篩，裝入聚乙烯袋中，密封、保存，備用。分別取200g橘子皮、香蕉皮、柚子皮粉末于3個2.5L大燒杯中，加500mL 1mol/L H3PO4溶液，攪拌1h，過濾去除液體部分，用去離子水清洗至中性，在80℃下烘干，裝入干燥器中，密封、保存，備用。

2.3吸附實驗方法

所有實驗均作對照，玻璃儀器用前均用4mol/L的HNO3浸泡過夜。

2.3.1各吸附劑最佳初始濃度的確定

吸取兩組含鉛儲備液0.00、2.50、5.00、7.50、10.00、12.50、15.00mL，稀釋至250mL，得到初始濃度為0.00、10.00、20.00、30.00、40.00、50.00、60.00mg/L的重金屬溶液，分別加入1.0g改性的和未改性的吸附劑，放置于振蕩器中，室溫下，150r/min振蕩1h后澄清過濾，用火焰原子吸收儀測濃度、吸光度。確定最佳初始濃度。

2.3.2各吸附劑最佳投加量的確定

吸取兩組最佳初始濃度的重金屬溶液，稀釋至250mL，分別加入未改性的和改性的吸附劑各0.0g、0.5g、1.0g、2.0、3.0、4.0、5.00g，放置于振蕩器中，室溫下150r/min振蕩1h后澄清過濾，用火焰原子吸收儀測濃度、吸光度。確定最佳投加量。

2.3.3各吸附劑最佳吸附時間的確定

取最佳初始濃度重金屬溶液與最佳投加量吸附劑混合，放置于振蕩器中，室溫下150r/min分別振蕩5min、10min、30min、1h、2h、4h、8h后澄清過濾，用火焰原子吸收儀測濃度、吸光度。確定最佳吸附時間。

3　結果與分析

3.1改性前吸附效果

由于初始濃度對吸附劑的最大吸附量有一定限制，吸附劑相對重金屬的質量過剩，并不說明濃度低時吸附效果不好。以吸附劑得到較好的利用率又有很好的去除效果為目的，選取相對合適的初始濃度作為后續試驗的初始條件。通過實驗，各吸附劑對重金屬的吸附率隨初始濃度的增加而降低，其中花生殼的吸附率高于香蕉皮和柚子皮，柚子皮的吸附率最低。總體上，從吸附率方面，濃度越低，吸附率越高。從吸附量來看，濃度越高，吸附量越多，增長趨勢越平緩。由于吸附率只與濃度有關，吸附量只與濃度，吸附劑用量有關，所以在振蕩時間為變量時，吸附率與吸附量的變化趨勢是一樣的，總的來說，在最佳濃度與最佳投加量的條件下，各吸附劑在60min后上升平緩，此時基本達到吸附平衡，吸附量基本達到最大。所以本實驗選用60min為最佳吸附時間。

3.2改性后吸附效果

通過實驗發現三種吸附劑對重金屬的吸附率隨著初始濃度的增加而降低，其中花生殼吸附率高于柚子皮和香蕉皮。低于30mg/L時，柚子皮吸附率高于香蕉皮，高于30mg/L時，香蕉皮高于柚子皮。然而各吸附劑的吸附率隨著投加量的增加而增加，在0.5g時，各吸附劑吸附率接近，1.0g處，香蕉皮和柚子皮的吸附率仍接近，而花生殼從此時開始一直處于高吸附率狀態。各吸附劑的吸附率隨著振蕩時間的增加而增加。5 min～30min，上升較慢，30 min～60min，上升加快，60min后，上升平緩，基本達到吸附平衡。我們可以從下表中較直觀地看到改性前后各吸附劑對重金屬的吸附效果如表1。

表1　改性前后各吸附劑對重金屬的吸附效果

經過實驗，初始濃度、投加量、振蕩時間對重金屬離子的吸附效果有一定的影響。初始濃度太高，吸附量達到飽和后反而會下降，投加量過多，導致吸附劑過剩，時間過長，會發生解吸現象，吸附效果不佳。

4　結語

目前我國重金屬污染日益嚴重，因此在探討用天然材料處理廢水時，尋求合適的天然材料，采取經濟有效的改性方法，是一個關鍵性環節。本文主要研究了柚子皮、香蕉皮、花生殼對重金屬廢水吸附的可行性，用磷酸改性提高了吸附效果。然而，天然材料的組成有差異，其吸附機理還有待進一步的研究。

［1］賈廣寧.重金屬污染的危害與防治［J］.有色礦冶，2004，20（1）：39-42.

［2］李健，石鳳林，爾麗珠，等.離子交換法治理重金屬電鍍廢水及發展動態［J］.電鍍與精飾，2003（6）：28-31.

［3］肖彩梅.化學改性柿子生物吸附劑及其對重金屬離子吸附研究［D］.中南大學，2011.

［4］賈金平，謝少艾，陳宏錦.電鍍廢水處理技術及工程實例［M］.北京：化學工業出版社，2002：15-30.

［5］熊佰煉.甘蔗渣吸附廢水中Cd和Cr的研究［D］.2009，5：2-5.

［6］梁莎，馮寧川，郭學益.生物吸附法處理重金屬廢水研究進展［J］.水處理技術，2009，3：13-17.