重金屬脫除方法機理淺析

摘 ?要：近年來，隨著工業污染加劇，重金屬帶來的污染問題越發嚴重，各行業都面臨利用各種技術方法脫除其中的重金屬的問題。文章對重金屬脫除方法進行了歸納，并對脫除機理進行了簡要分析，包括物理法、化學法、離子交換法、微生物法、活體脫除法、排斥法等。

關鍵詞：重金屬;脫除方法;機理

近年來，隨著工業污染加劇，重金屬帶來的污染問題越發嚴重，各行業都面臨利用各種技術方法脫除其中的重金屬的問題。目前國內外脫除重金屬的方法[1-3]有多種，主要有：物理法、化學法、離子交換法、微生物法、活體脫除法、排斥法等，現對各脫除方法機理淺析如下，僅供參考。

1.物理方法

脫除重金屬的物理方法有很多，其中主要有吸附法、絮凝法、電極法、浸泡法、超聲波法等[1]。

1.1吸附法

吸附法指利用吸附材料的吸附性能對重金屬進行吸附。吸附法中常用的吸附材料為活性炭、沸石、殼聚糖類、改性膨潤土等。

活性炭吸附[3]：活性炭具有微孔發達、比表面積高的特點，能與雜質充分接觸，當這些雜質被微孔吸附，起凈化作用。且可以經過改性在其內表面上嫁接各種基團如羰基、羧基等，改性后的活性炭吸附能力更強，是一種優良的重金屬吸附材料。活性炭吸附重金屬離子的機理主要有物理吸附，金屬離子與活性炭表面的離子交換，金屬陽離子與活性炭表面的靜電作用等。

沸石吸附[5-6]：吸附和離子交換雙重作用，可以通過高溫煅燒法以及堿改性法有效提高吸附容量及對金屬陽離子的吸附能力。

殼聚糖類[7-10]吸附法：殼聚糖是天然生物高分子化合物甲殼素的脫乙酰基產物，殼聚糖分子中具有氨基和羥基，可絡合金屬離子，相比較堿金屬，殼聚糖對重金屬具有更好的選擇性，同時無毒，無污染，可以生物降解的特點使其更適合應用于食品工業中。殼聚糖與金屬離子作用機理：金屬離子主要通過三種方式與殼聚糖結合，包括離子交換、物理吸附與螯合。殼聚糖對鎘的配位，隨殼聚糖用量的增加，配位時間的延長，其配位能力增強。一般在酸性條件下，隨著PH的增加，吸附容量增加。

羧甲基殼聚糖[8-9]是殼聚糖經化學改性得到的水溶性衍生物，由于羧基的引入，使其結合金屬離子能力大大提高，絡合反應相對于未經改性之前的殼聚糖而言，變得迅速。

改性膨潤土吸附[1]：改性膨潤土對鎘具有較好的吸附性能，PH是影響改性膨潤土對重金屬離子吸附的重要因素，吸附的最佳PH范圍為5-7。

1.2絮凝法

絮凝法[6]去除重金屬的原理主要是通過靜電吸附，電性中和，黏附、架橋和交聯作用破壞系統的穩定性，使微粒之間通過相互聚集而形成較大顆粒，在重力作用下沉降，最終達到分離的目的。絮凝劑可分為無機絮凝劑和有機絮凝劑和微生物絮凝劑。

1.3電極法

電極法的原理是在電場作用下，利用電遷移、電滲析和電泳等脫除固體中的重金屬。

1.4浸泡法

浸泡法適用于處理量較小，重金屬含量較低的固體，其原理是通過利用多相浸泡滲透壓平衡來達到脫除重金屬的目的。在浸泡過程中，部分重金屬會遷移到浸泡液中，且溫度越高遷移越多。

1.5超聲處理法

超聲處理法的原理是利用超聲波的空化[11]效應，在固體表面形成很多小泡，小泡會不斷膨脹，當膨脹到一定程度時會停止吸收能量，同時瞬間發生坍塌，小泡坍塌的瞬間會產生高溫、高壓，從而使重金屬分離。

2.化學方法

化學法脫除重金屬的機理為通過化學提取劑將不溶態重金屬化合物轉變成可溶性離子態，當重金屬從固相進去液相后，加入堿性物質或者硫化物[1，12]，如碳酸氫鈉、氧化鈣、硫化亞鐵、硫化氫等。研究常用的化學提取劑包括有機酸、無機酸、絡合劑或螯合劑和一些無機化合物。

2.1無機酸和有機酸

常用無機酸主要有硝酸、鹽酸和硫酸[1，13]，有機酸主要一般為檸檬酸[1，13-14]、草酸[1，13]和乳酸[15]，目前去除固體中超標的重金屬多采用有機酸來脫除。酸處理后，重金屬溶出，進入液相，可通過添加氧化鈣、氫氧化鈉、碳酸氫鈉等堿性物質或硫化鈉、硫化亞鐵等硫化物使其沉淀從而得到去除。

2.2絡合劑

利用有機絡合劑[16-17]來去除重金屬的原理是在一些不溶或難溶的金屬化合物中加入絡合劑后，利用其對于重金屬的螯合能力，將其轉化為可溶態的金屬絡合物予以去除。較強的螯合劑如EDTA、NTA、植酸可與重金屬發生絡合反應。溶解的重金屬可用石灰沉淀回收，或用氫氧化鈣將PH調到7.0后回收重金屬離子。EDTA作為脫除劑存在以下優點，如具有螯合眾多重金屬的能力，適用范圍廣、洗脫效果較表面活性劑等更好等優點。作為傳統的絡合劑，EDTA有著較長的應用歷史，曾作為食品添加劑來控制重金屬含量，但由于其過量使用及隨意排放也使EDTA成為一種污染物質而限制了其應用。植酸作為新型無污染絡合材料開始尤為關注，植酸有羧基和磷酸基等大量的活性基團，具有很強的金屬鰲合能力。

絡合法處理重金屬雖然在選擇性和脫除率方面有其優勢，但脫除過程中固液分離較為困難，以EDTA為例，加入后只是改變了重金屬的存在形態，使重金屬與絡合劑結合降低其毒性，很難真正意義上去除重金屬離子。且同時還帶入了魚仔中不能添加的EDTA殘留物質。

2.3無機化合物

某些無機化合物可以用來萃取重金屬，如三氯化鐵[1]。三氯化鐵萃取重金屬主要通過以下兩方面實現，一方面，三氯化鐵水解之后可使溶液呈酸性，此時對重金屬的萃取相當于酸浸取;另一方面，氯離子某些時候會充當絡合劑，與重金屬結合形成可溶性絡合物，使重金屬能夠溶解在溶液中。

某些無機化合物通過化學反應改變重金屬在土壤中的存在形態[18]，使其轉化為低溶解性、低遷移性和低毒性物質的過程。如氯化鐵和硫酸鐵是一類重要的重金屬污染土壤修復材料，可以用來固定或洗脫土壤中重金屬如砷、鉻和鎘。

2.4表面活性劑

表面活性劑是一種活躍于表面和界面的物質，它具有非常高的降低界面和表面之間的效率和張力。又因它既有親水性又有親脂性，常用于難降解、難利用的重金屬等污染物的去除。作為固體物質的重金屬脫除劑，表面活性劑通常在低濃度時就能夠降低水溶液和其它溶液體系表面的張力[1]。其脫除重金屬的機理包括溶解、離子交換和電荷交換等。目前研究常用的表面活性劑包括陽離子交換樹脂、陰離子表面活性劑和季氨鹽表面活性劑。

3.離子交換法

離子交換法[1]是利用離子交換與液體中的離子發生置換作用而使離子分離的方法。離子交換劑通常是一種不溶性高分子化合物，如樹脂[19]、纖維素、葡聚糖、醇脂糖等，它的分子中含有可解離的基團，這些基因在水溶液中能與溶液中的其它陽離子或陰離子起交換作用。

4.微生物法

微生物法[2，20]又稱生物淋濾法，該法通過利用微生物的直接或者間接新陳代謝作用，如發生氧化、還原、溶解或者吸附的作用，把固相中重金屬分離進入液相的技術。目前研究主要是嗜酸微生物，如氧化亞鐵硫桿菌和氧化硫硫桿菌。將不溶性重金屬轉換為可溶性金屬離子后通過化學沉淀的方法將重金屬從溶液中分離出來。

微生物法脫除食品中重金屬的研究較多，效果也比較顯著，但脫除機理尚不明確，仍處于起步階段。微生物法低成本、低能耗，有著遠大前景，但是由于不易控制，而且所需處理時間較長，想要應用于實際生產受到較大的阻礙。

5.活體脫除法

活體脫除法是指通過將生物活體轉移至潔凈的水環境中，在無污染的水環境暫養[16-17]，向其飼料、餌料或水中加入能夠脫除重金屬的添加劑如殼聚糖、微藻活體、維生素等[1，17]，利用其自身代謝過程將本身體內的重金屬等污染物排出體外直至達到安全標準的過程。但此方法所需成本較高，花費時間較長，且重金屬的去除效果并不理想。

6.排斥法

Ca、Fe、Zn等元素與Pb、Cd都是二價金屬元素，在體內代謝過程中存在競爭作用，Ca、Fe、Zn的供給能抑制重金屬Pb、Cd在體內的蓄積。如Cd與魚仔體內蛋白（MT[21]）結合成鎘硫蛋白（Cd2+-MT），很難通過潔凈海水凈化脫除。但利用蛋白水解肽-金屬配合物（包括鐵肽、鈣肽、鎂肽和鋅肽）與鎘硫蛋白發生置換反應，亞鐵離子（Fe2+）、鈣離子（Ca2+）、鎂離子（Mg2+）、鋅離子（Zn2+）可與鎘離子（Cd2+）競爭金屬硫蛋白MT，形成比鎘硫蛋白更為穩定的鐵硫蛋白（Fe2+-MT）、鈣硫蛋白（Ca2+-MT）、鎂硫蛋白（Mg2+-MT）、鋅硫蛋白（Zn2+-MT），從而使Cd從魚仔體內脫出。

值得注意的是，對于可食用的產品而言，在重金屬脫除過程中，食品中營養物質也會隨著重金屬脫除過程而脫除，需要引起關注。

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作者簡介：厲志偉（1986-），男，大專學歷，工程師，研究方向：化學、儀器分析。