降低水中重金屬含量的方法

王 松，王菁華，劉 威，孫益敏

(黑龍江省科學院自然與生態研究所，哈爾濱 150040)

礦泉水因天然無添加深受人們喜愛。我國天然礦泉水執行國家強制標準《飲用天然礦泉水》(GB8537-2018)，其對天然礦泉水在感官、理化、標志等方面作了相應規定。五大連池重碳酸型礦泉水中鍶、偏硅酸、游離二氧化碳和溶解性總固體共4項指標均達到國家標準GB8537中界限指標要求(界限指標只要有一項符合即可)，在我國眾多礦泉水中極具特色。前期工作發現，五大連池重碳酸礦泉水原水中鎳含量較高，鎳對細胞膜構造、紅細胞再生等都有助益，但攝入量過高會在人體內聚積，造成急慢性中毒，甚至有潛在的致癌風險。降低礦泉水中鎳含量需遵從GB8537中的相關規定，結合企業生產實際。本研究介紹了幾種降低水中重金屬含量的方法。

1 吸附法

1.1 活性炭吸附

活性炭內部孔隙發達，價格低廉，性質穩定[1]，吸附有機物效果好，常應用于水處理中，可以通過修飾改性提高活性炭吸附重金屬能力。常見改性方法主要有金屬負載改性、等離子體改性、酸堿改性、還原改性、氧化改性、高溫熱處理改性、微波改性等[2]。賴雙苑研究表明，HNO3-NaOH改性后的活性炭，溫度30℃，改性活性炭按5.0 g/L投入0.4 mg/L Ni2+溶液，吸附1 h，Ni2+的去除率達 98.88 %[3]。施宇震等研究表明，活性炭經0.1 mol/L的高錳酸鉀溶液改性，可使銻濃度從100 μg/L降至4.23 μg/L[4]。謝婉婷等研究證實，經二氧化鈦溶膠負載的粉末活性炭，在高流速條件下可將廢水中Cr(Ⅵ)含量降至低于0.05 mg /L[5]。

表1 不同改性活性炭方法特點Tab.1 Characteristics of different modified activated carbon methods

1.2 沸石吸附

天然沸石屬硅鋁酸鹽礦物類[6]，其吸附能力取決于吸附物質的分子大小和沸石孔徑。一般情況下，天然沸石會優先選擇性吸附某些特定分子，對有機物吸附效果極差，對重金屬離子吸附效果也不好，實際應用中常常會根據不同需求，選擇恰當的改性方法提高吸附能力。常見的改性方法有鹽改性、酸堿改性、焙燒熱改性、有機物及稀土改性等[7]。

余手寬等人研究二氧化錳改性沸石對廢水中Pb2+吸附性能的影響因素，結果表明，二氧化錳改性沸石對廢水中Pb2+的吸附效果隨著沸石與二氧化錳投料比的增加而提高，反應溶液最佳pH值為5～6[8]。薛美香等在微波輔助下，用氯化鈉改性沸石研究不同條件對水中銅離子含量的影響，結果表明，溫度30℃時，0.3 g改性沸石投加到10 mg/L的Cu2+溶液中吸附80 min，Cu2+去除率達93.3%[9]。張超等以NaOH改性天然沸石，研究其對水中錳含量的影響，結果表明，溫度25℃時，將1.0 g改性天然沸石投入初始濃度為1.0 mg/L的溶液中，2 h后錳去除率可達99.3%[10]。程明用溴代十六烷基吡啶(CPB)做改性劑，研究改性沸石對廢水中的鉻吸附影響，結果表明，25℃時，將2 g改性沸石頭投入25 mL 50mg/L含鉻廢水中吸附30 min，去除率可達90%以上[11]。

2 膜過濾

膜過濾技術是利用混合物中各物質分子大小差異達到選擇性分離目的一種新型技術，具有能耗低、操作簡單、不發生相變等特點。膜分離方法主要有反滲透(RO)、超濾(UF)、納濾(NF)、微濾(MF)和電滲析等[12]。

Moideen 等研究證明，混合磺化聚苯砜與聚砜制作的超濾膜對Cd2+的消除率約為75%，對Pb2+的消除率約為 87%[13]。宋衛鋒等研究采用納濾膜法過濾電鍍鎳漂洗廢水，結果表明，穩定運行40 h后截留率可達75%左右[14]。李萌等研究發現，在一定條件下，含錳廢水通過納濾膜時，89.72%的Mn2+、90.69%的Mg2+和全部Ca2+都可被納濾膜截留[15]。

3 結語

活性炭來源廣泛，種類繁多，選取活性炭種類時應有所側重。活性炭本身是否含有鎳，改性過程中是否會將活性炭本身含有的鎳釋放出來，諸多細節都需嚴格把控。天然沸石在吸附時會發生陽離子交換現象，因此吸附過程中是否會引進其他離子、導致個別離子含量升高有待考量。膜分離技術雖優點眾多，但分離過程中膜材料本身的滲透性會隨著時間的延長而下降，應用時需要考慮這些問題。

國內關于降低重金屬含量的研究很多，但實驗對象大多為單一金屬標準溶液或工業廢水，對降低礦泉水中重金屬含量的研究較少，尤其是多種金屬離子存在下的競爭吸附及其機理的相關研究較少。五大連池重碳酸型礦泉水中含有多種金屬元素，存在各種金屬離子競爭性吸附的可能，若想將其完全應用于企業生產仍需進一步研究。