飲用水中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制與凈化材料研究進(jìn)展

Research Progress on Migration and Transformation Mechanism of Heavy Metals in Drinking Water and Purification Materials

ZHAO Dasen1，SHANG Xinglu2 （1.Shengli Oilfield Shenghua Industry Co.，Ltd.，Dongying 257ooo， China; 2.Shandong Qixin Environmental Technology Co.，Ltd.，Dongying ， China）

Abstract： Heavy metal polution has become a major environmental problem threatening the safety of drinking water due to its high toxicity， bioaccumulationand difficulty in degradation.This paper systematically reviews the main forms and migration and transformation mechanisms of heavy metals in water bodies，focusing on the analysis of their adsorption and release processes in water environments and related water qualitymodels.On this basis，the performance and application potential of purification materials such as nanoadsorbents，biomass modified materials， membrane separation materialsand composite functional materials are reviewed and clasified，the current technical bottlenecks areanalyzed，and the future development direction is prospected，aiming to provide theoretical and technical support for the treatment of heavy metal pollution in drinking water.

Keywords： drinking water; heavy metals; migration mechanisms; purification materials

隨著工業(yè)化與城市化進(jìn)程的加快，飲用水源日益受到鉛、鎘、砷、汞、鉻等重金屬的污染。由于這些重金屬具有毒性強(qiáng)、難降解、易累積的特性，已引發(fā)全球關(guān)注。重金屬在水中的多種存在形態(tài)及其相互轉(zhuǎn)化使其遷移機(jī)制更加復(fù)雜，增加了治理難度。為此，新型凈化材料不斷涌現(xiàn)，如納米材料、生物質(zhì)衍生吸附劑、金屬有機(jī)框架材料（MetalOrganicFrameworks，MOFs）及膜分離材料，展現(xiàn)出良好吸附性能與應(yīng)用潛力，但仍面臨穩(wěn)定性差、成本高等挑戰(zhàn)[1。本文系統(tǒng)探討了重金屬在水環(huán)境中的形態(tài)特征、遷移機(jī)制及吸附建模方法，綜述了凈化材料的研究進(jìn)展，旨在為重金屬污染治理與相關(guān)材料研發(fā)提供理論與技術(shù)支撐[2]

1重金屬在水環(huán)境中的存在形態(tài)

在自然水體中，重金屬元素通常不會(huì)以單一形態(tài)存在，而是受水體的理化性質(zhì)、生物活動(dòng)及其他污染物的影響，以多種形態(tài)共存[]。不同存在形態(tài)直接影響其遷移轉(zhuǎn)化行為、生物可利用性及毒性，是研究重金屬污染治理的基礎(chǔ)。根據(jù)形態(tài)穩(wěn)定性與結(jié)合方式的不同，水體中重金屬存在形態(tài)可分為以下幾類。

1.1 游離態(tài)

游離態(tài)是最簡單、最易被生物體吸收的重金屬形態(tài)，通常以金屬陽離子（如 Pb²⁺ ！ Cd²⁺ ！ Zn²⁺ ）形式存在。此類形態(tài)活性高、生物毒性強(qiáng)，在水體中遷移能力較強(qiáng)，是水環(huán)境中最主要的風(fēng)險(xiǎn)來源。游離態(tài)重金屬濃度受pH值、溫度及共存離子的影響顯著。

1.2 絡(luò)合態(tài)

重金屬與水中有機(jī)或無機(jī)配體形成絡(luò)合物，稱為絡(luò)合態(tài)，主要分為無機(jī)絡(luò)合物、有機(jī)絡(luò)合物兩種。無機(jī)絡(luò)合物是重金屬與氯離子、碳酸根等無機(jī)陰離子形成穩(wěn)定絡(luò)合物（如 CdCl₃^2- ）；有機(jī)絡(luò)合物是重金屬與天然有機(jī)質(zhì)（如腐殖酸、富里酸）結(jié)合形成有機(jī)絡(luò)合態(tài)。

1.3 吸附態(tài)

重金屬可以通過物理吸附、電荷作用或化學(xué)鍵附合于懸浮顆粒、膠體、有機(jī)質(zhì)或底泥表面。這種形態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，但在 pH 值或離子強(qiáng)度變化時(shí)，重金屬可能會(huì)重新釋放進(jìn)入水體。吸附態(tài)在水體的垂向遷移、再沉積及再污染過程中起著關(guān)鍵作用。

綜上所述，重金屬在水體中的存在形態(tài)具有顯著的動(dòng)態(tài)性與環(huán)境依賴性。了解各種形態(tài)之間的分布規(guī)律及其相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，是正確評(píng)價(jià)其遷移行為和制定有效凈化策略的前提。

2飲用水中重金屬的污染特征

飲用水源中的重金屬污染已成為全球性環(huán)境問題之一，具有來源多樣、種類復(fù)雜、濃度變化大、區(qū)域分布不均等特點(diǎn)。重金屬污染不僅影響水質(zhì)安全，還可能通過累積效應(yīng)危害人類健康，具有長期性與隱蔽性[4]。

2.1主要重金屬種類

飲用水中常見的重金屬污染物如表1所示。

2.2 污染來源

飲用水中重金屬的污染來源可概括為以下幾類[5]。 ① 工業(yè)廢水排放，冶金、電鍍、電池制造、采礦等行業(yè)排放的廢水是重金屬的重要外源輸入。 ② 農(nóng)業(yè)活動(dòng)，部分化肥、農(nóng)藥中含有重金屬雜質(zhì)，長時(shí)間使用可導(dǎo)致農(nóng)田滲漏進(jìn)入地下水。 ③ 城市生活污染，垃圾填埋滲濾液及老舊供水管網(wǎng)的腐蝕可釋放鉛、鐵、銅等金屬元素。

2.3 濃度變化特征

水體中重金屬濃度具有顯著的時(shí)空變化性和季節(jié)波動(dòng)性[]。 ① 時(shí)空分布差異，不同流域、不同季節(jié)因降雨量、水位、水流速度等影響，重金屬濃度存在明顯差異。 ② 污染突發(fā)性，在暴雨、洪澇、工業(yè)事故等情況下，底泥擾動(dòng)或非法排放可能引發(fā)重金屬濃度急劇升高。 ③ 管網(wǎng)二次污染，飲用水經(jīng)老舊管道輸送過程中，管壁腐蝕或沉積物擾動(dòng)可能造成重金屬濃度升高。

綜上所述，飲用水中重金屬污染具有隱蔽性強(qiáng)、成因復(fù)雜、治理難度大的特征，必須結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H開展動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與源頭控制。同時(shí)，這也為后續(xù)研究其遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制及凈化技術(shù)提供了基礎(chǔ)。

3重金屬在水環(huán)境中的遷移與轉(zhuǎn)化機(jī)制

3.1飲用水中重金屬的吸附脫附過程

在飲用水系統(tǒng)中，重金屬的遷移與轉(zhuǎn)化直接關(guān)系到水質(zhì)安全，而吸附與脫附過程是其環(huán)境行為的關(guān)鍵。重金屬離子可通過物理或化學(xué)方式吸附于水中膠體、有機(jī)物、生物膜或沉積物表面，從而降低其在水中的自由濃度。物理吸附依靠靜電或范德華力，可逆性強(qiáng)，但選擇性差；化學(xué)吸附則通過與表面官能團(tuán)形成穩(wěn)定鍵合，選擇性高且難以逆轉(zhuǎn)。此外，離子交換與表面絡(luò)合機(jī)制也廣泛用于凈化材料中，如樹脂、沸石等可與金屬離子發(fā)生交換反應(yīng)[。吸附效率受環(huán)境因素影響顯著，尤其是pH值。酸性條件下，吸附位點(diǎn)被 H⁺ 占據(jù)，抑制重金屬結(jié)合；而中性至弱堿性條件有利于吸附重金屬，這也是飲用水處理中維持中性pH的重要原因[8]。

然而，在飲用水系統(tǒng)中，特別是蓄水池、管網(wǎng)或?yàn)V料長期運(yùn)行的過程中，原先被固定或沉積的重金屬離子可能因環(huán)境條件變化而被重新釋放回水相中，構(gòu)成“內(nèi)源性重金屬污染”。具體釋放機(jī)制如下：水體pH值下降引起金屬氫氧化物、碳酸鹽等沉淀溶解;在老化或腐蝕的管網(wǎng)中，鐵錳氧化物還原為低價(jià)態(tài)，伴隨重金屬釋放；有機(jī)絡(luò)合物在溫度升高或微生物分解作用下解離，釋放結(jié)合金屬；微生物活動(dòng)可能通過代謝過程改變局部pH值或氧化還原狀態(tài)，促進(jìn)吸附金屬解脫；水流波動(dòng)、管道清洗、水錘等物理擾動(dòng)也可能引起濾料或管道沉積物中重金屬短時(shí)釋放[。這些過程通常呈現(xiàn)非線性、動(dòng)態(tài)和滯后特征，使得即使外源金屬輸入終止，飲用水中的重金屬濃度仍可能出現(xiàn)階段性反彈，增加處理和監(jiān)測(cè)的難度。

3.2飲用水中重金屬的吸附脫附模型

為提高飲用水中重金屬遷移的預(yù)測(cè)與控制水平，研究者構(gòu)建了多類水質(zhì)模擬模型[10]。其中，質(zhì)量守恒模型用于模擬輸水過程中濃度變化；動(dòng)力學(xué)模型則聚焦于微觀吸附與脫附反應(yīng)機(jī)制的刻畫；多介質(zhì)耦合模型適用于復(fù)雜水系統(tǒng)的全過程模擬；機(jī)器學(xué)習(xí)模型則憑借數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)優(yōu)勢(shì)提升了預(yù)測(cè)精度與泛化能力。此外，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）與遙感技術(shù)的模型實(shí)現(xiàn)了水源地分布建模，增強(qiáng)了風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與源頭防控能力。

綜上所述，飲用水體中重金屬離子的遷移過程受多重理化與生物因素共同調(diào)控，其吸附一釋放機(jī)制復(fù)雜多變，構(gòu)建科學(xué)的遷移預(yù)測(cè)模型不僅有助于了解污染物動(dòng)態(tài)演化過程，也為飲用水處理與系統(tǒng)安全管控提供技術(shù)支撐與決策依據(jù)，是保障公共健康的重要研究方向。

4凈化材料研究進(jìn)展

針對(duì)飲用水中重金屬污染問題，開發(fā)高效、安全、可持續(xù)的凈化材料是當(dāng)前環(huán)境材料研究的核心方向之一。近年來，隨著納米技術(shù)、功能材料科學(xué)的發(fā)展，涌現(xiàn)出多種高性能凈化材料，廣泛應(yīng)用于吸附、過濾、離子交換、膜分離、電化學(xué)去除等領(lǐng)域。

4.1 吸附材料

吸附法因其操作簡便、經(jīng)濟(jì)適用且適應(yīng)性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于飲用水中重金屬離子的去除。常用吸附材料包括以下幾類[]。 ① 天然礦物材料如沸石、膨潤土、赤泥等，資源豐富，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，對(duì) Pb²⁺ ， Cd²⁺ 等有一定去除能力，但選擇性和吸附容量相對(duì)較低。② 改性活性炭通過表面氧化、負(fù)載金屬氧化物或引入含氧/氮官能團(tuán)等手段提高其比表面積和化學(xué)活性，可顯著提升對(duì)As、 Cr 、 Hg 等的吸附性能，適用于低濃度污染物的深度處理

4.2 膜分離與復(fù)合材料

膜分離法具備高選擇性與無化學(xué)添加劑的優(yōu)勢(shì)，適合用于飲用水深度凈化。 ① 納濾/反滲透膜通過孔徑效應(yīng)和電荷排斥去除多價(jià)金屬離子，如 Pb²⁺ 、AsO4-等，適用于高濃度重金屬水源的凈化處理[12]。② 復(fù)合膜材料通過在聚合物膜基體中嵌入納米吸附劑或功能粒子，使膜具備吸附與分離雙重功能，提升抗污染性及對(duì)目標(biāo)金屬離子的選擇性[3]。 ③ 電紡納米纖維膜具有高孔隙率和表面官能團(tuán)活性，能夠快速捕獲水中微量的 Cd²⁺ 、 Cr⁶⁺ 等離子，適用于便攜式凈水器或現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處理[14]

4.3離子交換材料

離子交換材料依靠金屬離子與交換基團(tuán)間的可逆置換作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬的高效去除，適合水質(zhì)穩(wěn)定性要求較高的飲用水處理。 ① 合成樹脂如磺化聚苯乙烯型強(qiáng)酸性樹脂或弱堿性螯合樹脂，對(duì) Pb²⁺ 、Cu²⁺ 、 Ni²⁺ 等具有高選擇性和良好再生性，常用于飲用水終端凈化裝置[15]。 ② 天然/改性沸石利用其有序孔結(jié)構(gòu)和負(fù)電表面特性與金屬陽離子發(fā)生交換，處理效率受 pH 值和競(jìng)爭(zhēng)離子影響較大，適合預(yù)處理階段應(yīng)用[16]

4.4電化學(xué)與氧化還原材料

電化學(xué)與氧化還原材料通過表面反應(yīng)調(diào)控重金屬價(jià)態(tài)和溶解度，實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)化或去除，適用于小型模塊化凈水單元。 ① 電沉積材料在外加電場(chǎng)作用下，將溶液中的重金屬離子還原沉積至電極上，實(shí)現(xiàn)高選擇性和可控去除，適合精密實(shí)驗(yàn)室或電源凈化設(shè)備[17]。 ② 原位還原材料如納米零價(jià)鐵、硫化亞鐵等，可將 Cr⁶⁺ 、 Hg²⁺ 等高毒態(tài)還原為低毒態(tài)或沉淀形式，便于后續(xù)吸附或沉降[18]。 ③ 光催化材料以 TiO₂ 、 g- C₃N₄ 為代表，在光照條件下可實(shí)現(xiàn) 、Cr⁶⁺?Cr³⁺ 等轉(zhuǎn)化反應(yīng)，結(jié)合后續(xù)處理工藝可實(shí)現(xiàn)更徹底的重金屬去除，適合與太陽能凈水系統(tǒng)聯(lián)用[19]。

5結(jié)語

本文綜述了飲用水中重金屬的存在形態(tài)、遷移機(jī)制及凈化材料研究進(jìn)展。盡管納米吸附劑、膜材料和生物質(zhì)材料在去除效果上表現(xiàn)良好，但仍面臨選擇性低、再生性差、成本高等問題。未來應(yīng)聚焦材料的高效綠色特性，并推進(jìn)凈化技術(shù)與水質(zhì)模型的協(xié)同融合，促進(jìn)工程化應(yīng)用，確實(shí)保障飲用水安全。

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