廢水中重金屬離子處理方法的研究進展

Xuan+Sang+Nguyen+張高科+廖慶玲

摘 要：本文綜述了廢水中重金屬離子的各種處理方法，簡要說明了各種方法的優缺點，重點介紹了吸附法處理技術的研究現狀，最后展望了介孔新型材料用于重金屬離子的凈化處理研究和實際應用趨勢。

關鍵詞：重金屬離子；凈化；新型材料

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.047

含有重金屬離子的污染物進入水體會造成水體的重金屬離子污染。礦冶、機械制造、化工、電子、儀表等工業生產過程中產生的重金屬工業廢水對人類健康和自然生態系統都會有影響[1]，因此，水中的重金屬離子必須得到妥善處理。本文介紹目前國內外處理廢水中重金屬離子的方法，如活性炭吸附法，總結了各種方法的優缺點，最后展望了廢水中重金屬處理方法的發展趨勢。

1 水中重金屬離子可采用的凈化方法

1.1 沉淀法

沉淀法一般是通過化學反應把水體中的重金屬離子從游離態的轉變為含重金屬的沉淀物，再過濾和分離處理，使沉淀從水中分離，包括中和、硫化物、鐵氧體共沉淀幾種方法[2]。各種處理技術的操作分別如下：把堿加入到含重金屬的廢水中，重金屬會轉變為不溶于水的氫氧化物沉淀，然后將沉淀物分離，該法操作耗時少，簡單；把硫化物類的沉淀劑加入廢水中生成硫化物沉淀而除去重金屬也常用；先將鐵鹽向廢水中投加，然后控制工藝條件，使金屬離子形成不溶性的鐵氧體晶粒，最后固液分離，從而達到去除重金屬離子目的。

1.2 電解法

電解法用于重金屬離子的凈化是一種相對成熟的廢水凈化處理技術[3]，不僅污泥的生成量能有效的減少，而且能高效地回收某些貴金屬。其基本原理是電解過程中，氧化和還原反應分別在陽、陰兩極上發生，有害物質在氧化還原作用下轉化為無毒無害物質，實現廢水的凈化。電解法技術去除率高、可回收所沉淀的重金屬加以資源優化，二次污染情況少、處理過程中所使用的化學試劑量少；常溫常壓下，操作管理簡便；廢水中污染物的濃度發生波動時，通過電流電壓的調整，可保證出水水質的穩定；整套裝置的占地面積不大，有效節省空間。

1.3 氧化還原法

廢水中的重金屬離子在氧化還原作用下生成無毒無害的新物質，其實質是在氧化還原過程中，無機物元素的原子或離子在失去或得到電子的過程中會導致元素化合價的變化，是用于治理電鍍廢水的最早方法之一[4]，此法原理簡單、操作好掌握、對水量和高濃度廢水的沖擊承受大。一般根據還原劑的種類可以分為NaHSO3法、FeSO4法、SO2法、鐵屑法等。

1.4 膜分離新型處理技術

該技術可以在分子水平上，利用混合物分子具有不同粒徑的特征，在通過半透膜時可實現選擇性分離，包括電滲析濾膜、反滲透濾膜、萃取濾膜、超過濾濾膜等。電鍍工業廢水經過膜分離處理后的廢水組成穩定，并可回槽使用。膜分離廢水凈化技術是近年來發展最迅速的高新技術，分離效率高、分離過程中不會發生相變且不會化學反應、分離器體積小、低能耗和方便操作等，廣泛應用于物質的分離與濃縮，具有廣闊的發展前景，在廢水處理中已受到特別的青睞[5]。

1.5 高效離子交換法

離子交換處理法是利用離子交換樹脂、沸石等交換劑分離廢水中有害金屬離子的方法。離子交換樹脂主要有凝膠型和大孔型兩種，前者有選擇性交換功能，后者制造很復雜、高成本、再生劑耗量大。交換劑將自身所帶的能自由移動的離子通過與被處理的溶液中的離子進行交換來實現凈化目的。離子間的濃度差和功能基對離子的親和能力是離子交換的推動力，多數情況下交換劑的離子是先被吸附，再被交換，具有吸附、交換的雙重作用[6]。

1.6 生物凈化處理技術

生物技術治理廢水日益受到人們的關注，根據凈化機理的不同，可分為絮凝法、吸附法、化學法以及植物修復法。利用微生物或其產生的代謝物來實現絮凝沉淀；利用生物體本身的特殊化學結構及特性成分來吸附水中的金屬離子，最后通過固液兩相分離去除金屬離子的方法也廣受關注[7]。

1.7 吸附凈化處理法

重金屬離子可利用吸附劑的獨特結構特點來除去，常用吸附劑有活性炭、腐植酸、海泡石、殼聚糖樹脂等。該法要求對水進行預處理，因為吸附劑自身的價格一般較昂貴，所以主要用于微量污染物的凈化處理，也常用于從高濃度的廢水中吸附某些有用的特定物質以達到資源回收和治理的目的。目前，應用于工業廢水處理的吸附劑主要有活性炭和生物吸附劑。一些尚處于實驗室模擬階段的吸附劑有粘土類、高分子、利用廢棄物制備的吸附劑和復合吸附劑等。其中活性炭可用于凈化去除大多數的重金屬和有機分子，具有較強的吸附能力， 但由于其使用成本相對昂貴、復雜的工藝操作和運行管理， 因而很多地區難以得到廣泛的應用。絕大部分吸附劑可能存在吸附效率低，產生二次污染無法解決等問題。介孔材料經過功能化處理后，特殊的功能基團對重金屬的吸附能力強，還可以選擇性地吸附水中重金屬離子，并且在適當條件下可以進行再生，實現吸附材料的重復使用，并且吸附效果仍然非?？捎^[8]。

2 重金屬凈化處理方法的缺點

化學沉淀法處理金屬離子廢水往往出水濃度達不到要求，沉淀劑的使用工藝和操作的環境條件等方方面面都會影響出水質量，產生的沉淀物需作進一步處理，否則容易造成二次污染。電化學法在運行過程中的電耗和電極金屬會產生大的消耗量，沉淀物質分離出來后不能夠直接處理利用，整體操作成本較高。氧化還原法需要加入特定的氧化劑或者還原劑，不可避免會導致處理廢水的成本大大升高，不同的有害物質還必須采用特定的試劑來處理，反應后的廢液的后處理也不是件簡單的事情。膜分離法雖然處理金屬離子的效率高， 但是膜材料的生產和預處理成本也很高，特別是膜組件價格貴，膜容易受污損等等問題制約了膜分離技術在廢水處理領域的廣泛應用。離子交換法在處理金屬離子廢水的過程中難免會產生過量的再生廢液，處理周期長，耗鹽量也蠻大，排出大量含鹽廢水特別容易引起輸送管道的腐蝕。離子交換樹脂使用過程中容易受到多種有機物的干擾和污染，當溶液中含有多種不同元素的離子時，缺乏普遍適用性。生物吸附材料能夠對重金屬離子進行有效地吸附，但是目前研究發現，具備高吸附容量，而且能夠選擇性吸附的廉價生物材料很稀缺，真正實現市場化還需要進一步的深入研究和不斷探索。

3 介孔材料用于重金屬吸附處理的研究趨勢

介孔功能吸附材料在金屬離子凈化處理的研究中發現，操作簡單、具有吸附容量高、選擇吸附性，能夠反復使用等特點，對于它的研究比較多[9-20]，這些優點將可望成為處理重金屬離子污染的有效解決途徑。介孔材料在水處理方面也有一些問題還沒有解決，比如功能化介孔材料對指定的特殊重金屬離子的吸附，介孔材料功能化的工藝參數，如接枝基團的種類和數量等的控制，介孔材料對重金屬離子的吸附機理的研究也不透徹。介孔材料吸附重金屬離子后的再生材料吸附效率也是一個研究的方向。從操作和經濟可行性方面考慮，介孔材料今后的發展趨勢或者目標有：1）吸附和脫附速度快；2）生產成本低，能夠重復使用；3）有一定的理想粒度，形狀和機械強度，能夠在連續流系統中應用；4）具有對重金屬離子的選擇吸附性；5）脫吸附后吸附劑的損失量小，經濟上可行。

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作者簡介：Xuan Sang Nguyen（1986-），男，博士，越南籍留學生，主要研究方向：功能應用材料。