重金屬離子吸附材料的研究進(jìn)展

孫夢(mèng)臨

關(guān)鍵詞：重金屬離子;吸附材料;研究進(jìn)展

重金屬是指相對(duì)原子質(zhì)量為63.50～200.06、相對(duì)密度大于5的金屬，目前發(fā)現(xiàn)的約有45種，通常是原子序數(shù)為24以上的過渡金屬元素，具有代表性的重金屬元素主要有銅、鉛、鋅、鈷、鉻、汞、銀等。銅、鋅、錳等是人體必需的微量元素，其他大部分重金屬元素對(duì)人體有害，因?yàn)椴粫?huì)被人體內(nèi)的微生物分解，一旦攝入，就會(huì)在體內(nèi)沉淀，同時(shí)與生物分子相互作用，使其失活，因此，重金屬對(duì)人體危害很大[1-2]。例如，鎘離子會(huì)損害腎臟，銅離子會(huì)損害肝臟，鎳離子會(huì)引發(fā)皮炎或慢性哮喘。重金屬及其化學(xué)合成物造成的環(huán)境污染又稱重金屬污染，主要由采礦、冶金、化工、廢氣排放、污水排放等人為或工業(yè)因素造成，其危害程度因重金屬的濃度而異，主要以化學(xué)形式出現(xiàn)在環(huán)境、食物、生物體以及污水中，部分存在于空氣和固體廢物中。重金屬污染目前已成為世界范圍內(nèi)亟待解決的重大污染問題，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和環(huán)境科研人員所面臨的挑戰(zhàn)[3]。由于重金屬不能被微生物分解，環(huán)境介質(zhì)的污染具有隱匿性、長(zhǎng)期性、積累性等特點(diǎn)，目前尚未找到普遍有效的處理方法，有必要深入處理和研究，解決我國(guó)環(huán)境中日益嚴(yán)重的重金屬污染問題。

1重金屬離子吸附材料現(xiàn)狀分析

重金屬離子吸附材料作為一種新型材料，對(duì)解決污染問題具有關(guān)鍵作用。吸附材料根據(jù)作用原理，可分為化學(xué)吸附材料、物理吸附材料以及親和吸附材料;根據(jù)材料的形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為多孔吸附材料、無孔吸附材料等;還可以分為有機(jī)高分子吸附材料和無機(jī)吸附材料、合成吸附材料和天然吸附材料。目前，重金屬離子吸附材料已成為環(huán)境學(xué)科的研究熱點(diǎn)。

首先，分類時(shí)需要嚴(yán)格按照吸附機(jī)理進(jìn)行，包括物理、化學(xué)與親和吸附等。物理吸附是指在不改變被吸附物質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)的情況下，將被吸附物質(zhì)吸附并固定在表面。化學(xué)吸附是通過電子轉(zhuǎn)移與被吸附物質(zhì)形成化學(xué)鍵或配位鍵發(fā)生吸附作用。親和吸附是憑借溶質(zhì)和吸附劑之間的特殊生物結(jié)合力發(fā)揮良好的吸附作用。吸附劑在對(duì)重金屬離子進(jìn)行吸附時(shí)，也不可避免地會(huì)受到離子的影響。

其次，為了發(fā)揮良好的重金屬離子吸附作用，就要加強(qiáng)對(duì)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)之間聯(lián)系的研究。要想加強(qiáng)對(duì)吸附熱力學(xué)的研究，就要重點(diǎn)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而設(shè)計(jì)幾種不同的等溫吸附模型，計(jì)算吸附系統(tǒng)的焓和熵等參數(shù)，推動(dòng)離子吸附過程中各種問題的有效解決。吸附動(dòng)力學(xué)的研究需要嚴(yán)格根據(jù)吸附量和時(shí)間關(guān)系曲線進(jìn)行分析，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析后，根據(jù)模型計(jì)算，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

最后，因?yàn)椴煌牧暇哂胁煌慕M成部分，一般情況下，重金屬離子吸附材料包括無機(jī)、高分子與復(fù)合吸附等類型，所以在利用不同的材料時(shí)，需要根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行選擇，加強(qiáng)對(duì)不同吸附材料的等量處理[4]。

2重金屬離子吸附材料的特點(diǎn)

2.1離子選擇性吸附材料

所謂的選擇性吸附，就是因?yàn)槲讲牧系慕M成與結(jié)構(gòu)差異性，導(dǎo)致其可以對(duì)特殊材料進(jìn)行有針對(duì)性的吸附。因?yàn)樵谡Ｇ闆r下，吸附劑的選擇性越高，對(duì)重金屬離子的吸收效果就會(huì)越理想。現(xiàn)階段，離子選擇性吸附材料包括多種類型：（1）結(jié)構(gòu)包含氨基、羧基和巰基等的配位基團(tuán)，能夠與特定重金屬離子形成選擇性吸附;（2）被吸附材料能夠?qū)崿F(xiàn)與特定離子的結(jié)合，進(jìn)而約束離子的選擇性吸附行為。對(duì)于模板離子，需要根據(jù)不同屬性，將其制成結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)較為明顯的特定離子印跡，方便吸附各種材料。

要想充分發(fā)揮螯合吸附材料的作用，需要加強(qiáng)對(duì)配位基團(tuán)與離子的利用，通過有效的配位，使其成為有機(jī)金屬螯合物，進(jìn)而研發(fā)出一種對(duì)重金屬離子的選擇性吸附材料。含有硫配位基團(tuán)的吸附樹脂往往可以選擇性地吸附汞離子和三價(jià)金離子。一些國(guó)外研究人員以硫脲和尿素為原料，分別合成了含硫鍵的硫脲樹脂和脲醛樹脂，可以選擇性地吸附在含有銅離子、鋅離子和金離子的溶液上，實(shí)現(xiàn)對(duì)三價(jià)金離子的有效分離，吸附容量通常可以設(shè)置為52.00和89.22mg/g，在完成吸附后，可以根據(jù)情況進(jìn)行多次反復(fù)使用。

與此同時(shí)，為了保證良好的吸附性，需要在實(shí)際的樹脂制備中充分利用一步法，實(shí)現(xiàn)對(duì)聚丙烯腈-2-氨基噻唑螯合樹脂的生成，保證其具有理想的吸附效果。在鎳離子、銅離子、鋅離子、鉛離子和汞離子的混合溶液中，樹脂對(duì)汞離子具有特異性和選擇性吸附行為，吸附容量可達(dá)527.00mg/g，而且不會(huì)在使用中對(duì)其他離子造成影響。對(duì)于存在氮原子配位基團(tuán)的材料以及銅離子，可以實(shí)現(xiàn)良好的匹配，進(jìn)而有針對(duì)性地加強(qiáng)對(duì)溶液中銅離子的吸附。另外，還有利用含有氮原子的菲咯啉對(duì)納米介孔碳材料進(jìn)行修飾，該材料可以選擇性地吸附混合離子溶液（含有鈣、鐵、鎳、鋅和銅離子）中的銅離子，去除效能較高，其他離子的去除效能相對(duì)較低。有些胺肟基團(tuán)含量較高的材料對(duì)一些放射性離子也具有優(yōu)異的吸附性能，將聚丙烯腈纖維聯(lián)合羥胺反應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)胺肟基聚丙烯腈纖維材料的利用，從根本上實(shí)現(xiàn)對(duì)放射性元素的有效提取，增強(qiáng)吸附性，保證理想的吸附效果[5]。

2.2離子印跡吸附材料

在利用離子印跡技術(shù)時(shí)，需要加強(qiáng)對(duì)陰陽離子的利用，是一種具有特定屬性的新技術(shù)。離子印跡技術(shù)的使用可以科學(xué)地實(shí)現(xiàn)對(duì)空間結(jié)構(gòu)的組合，加強(qiáng)對(duì)模板離子的特異性識(shí)別與分離。相關(guān)人員以鉛離子為模板制備了二硫代氨基甲酸酯-殼聚糖微球。當(dāng)溶液酸堿值為6時(shí)，可以選擇性吸附鉛離子，吸附容量可達(dá)358.00mg/g。另外，利用該材料時(shí)，需要將殼聚糖、二乙烯基苯等作為基礎(chǔ)原料，科學(xué)地制備出銀離子實(shí)心顆粒與空心顆粒等不同形態(tài)的銀離子印跡顆粒，這些材料對(duì)銀離子的單層吸附容量?jī)?yōu)異，對(duì)銀銅離子及鋅銀離子的吸附選擇性因子均大于4，表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附選擇性。

2.3降解生物質(zhì)基材料

纖維素、木質(zhì)素等可再生生物質(zhì)資源的顯著屬性在于其具有較高的利用效果，利用成本較低，能夠?qū)崿F(xiàn)有效降解。現(xiàn)階段，將應(yīng)用范圍比較廣泛的天然物質(zhì)可降解吸附材料應(yīng)用于廢棄物的回收和利用，具有顯著的成效。利用生物質(zhì)資源的目的就是制造重金屬離子吸附材料，不僅孔隙率相對(duì)較高，而且使用的表面積較大，能夠吸附重金屬離子。生物質(zhì)富含羧基、氨基等重金屬離子吸附劑，可通過離子交換和螯合吸附離子。但是在實(shí)際利用過程中，將天然生物質(zhì)資源用于重金屬吸附劑吸附能力較差的吸附工作，可以有效解決吸附選擇性低的問題。為了保證吸附材料的生物屬性，研究人員采用化學(xué)改性以及材料復(fù)合的方法制備了吸附性能更好的可降解吸附材料[6]。F976FBC5-D976-4DB3-9C3D-13B2EE44AE70

纖維素是大自然中的天然資源，屬于D-吡喃葡萄糖經(jīng)過糖苷鍵連接后形成的一種有效的高分子多糖，能夠通過使用馬來酸酐酯化纖維素保證表面羧基升高，改性后纖維素的吸附性能夠達(dá)到173.00mg/g。另外，還可以采用溶膠-凝膠法制備磁性殼聚糖-纖維素復(fù)合微球，其對(duì)銅離子的吸附量高達(dá)76.00mg/g。共存離子對(duì)吸附性能影響不大，即使在解吸和重復(fù)使用后，仍具有優(yōu)異的銅離子吸附性能。

殼聚糖是甲殼素脫乙酰化得到的線型聚合物，其分子結(jié)構(gòu)中含有許多能與金屬離子直接配位的基團(tuán)，如氨基、羧基等，這些活性基團(tuán)也很容易轉(zhuǎn)化為殼聚糖。專業(yè)人士利用硫脲等材料研制成席夫堿殼聚糖，經(jīng)過改性后，殼聚糖對(duì)六價(jià)鉻和鎘離子的吸附容量和去除率都可以顯著提高。另外，將殼聚糖分子包裹在磁性納米氧化鐵表面，利用可降解酮戊二酸制備殼聚糖納米材料，屬性為磁性，對(duì)銅離子的最大吸附容量可達(dá)96.00mg/g，配合磁選技術(shù)可反復(fù)利用。充分利用殼聚糖凝膠對(duì)硅藻土進(jìn)行包裝，能夠有效制備殼聚糖復(fù)合吸附材料，對(duì)汞的單層吸附量高達(dá)116.00mg/g，比未改性硅藻土高。因此，這種吸附能力大大提高，是通過調(diào)整殼聚糖的離子完成的。

木質(zhì)素作為一種芳香性較強(qiáng)的生物資源，具有較高的儲(chǔ)存量和吸附性，經(jīng)過反復(fù)重整和處理后，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高吸附性重金屬離子吸附材料的利用。在此過程中，能夠充分利用甘氨酸、胱氨酸接枝等制備吸附劑。羧基和氨基基團(tuán)的引入允許吸附材料影響銅離子，對(duì)銅離子和鉛離子的吸附容量分別可達(dá)76.00、92.00mg/g。另外，使用堿性木質(zhì)素、聚乙烯亞胺和二硫化碳制備的多孔木質(zhì)材料，由于材料比表面積和孔徑的增加以及氮和硫原子的引入，對(duì)鉛離子的吸附能力高達(dá)190.00mg/g，和堿性木質(zhì)素相比，性能提高13倍，在研究吸附動(dòng)力學(xué)時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于離子的吸附，需要嚴(yán)格按照二次動(dòng)力理論來完成，以保證其自熱屬性。

農(nóng)林廢棄物屬于一種農(nóng)林加工產(chǎn)品，主要利用的原材料包括果皮、甘蔗等，這些材料用于吸附材料的開發(fā)時(shí)優(yōu)勢(shì)顯著，而且利用成本較低、降解屬性較強(qiáng)，可以被相關(guān)環(huán)境工作者廣泛利用。例如未經(jīng)處理的咖啡豆殼對(duì)溶液中銅離子、鎘離子和鋅離子的吸附性分別為65%、85%及64%，而花生殼對(duì)銅離子和三價(jià)鉻離子的飽和吸附容量分別為26.00、27.88mg/g，因此，可以快速達(dá)到吸附平衡。

3重金屬離子

吸附材料的研究展望吸附法以其高效、易操作、選擇性高等優(yōu)點(diǎn)占據(jù)重要地位，開發(fā)成本低、選擇性更好的吸附材料是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。以秸稈、稻殼、木屑等農(nóng)林廢棄物、鋼渣等工業(yè)廢棄物、污水處理廠殘?jiān)葹樵仙a(chǎn)新型吸附劑，不僅能有效處理農(nóng)林殘?jiān)约肮I(yè)廢物，也可以循環(huán)利用并提供給污水處理行業(yè)。通過使用更便宜、應(yīng)用范圍更廣的材料，真正實(shí)現(xiàn)了“以廢治廢”的目標(biāo)。

未來重金屬離子廢水處理領(lǐng)域的研究主要集中在以下方面：通過各種方式提升吸附效率，優(yōu)化技術(shù)，大幅度降低建造成本，開發(fā)更有效的可降解、無污染、可回收吸附材料;將現(xiàn)有研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，探索新型吸附劑在復(fù)雜工業(yè)廢水環(huán)境中的吸附效果，并采用現(xiàn)代化科研手段進(jìn)行分析和改進(jìn)，對(duì)于有顯著影響的因素和吸附劑，必須根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。F976FBC5-D976-4DB3-9C3D-13B2EE44AE70