污水中重金屬的吸附技術與研究進展

邢廣成（沈陽航空航天大學能源與環境學院,沈陽110000）

污水中重金屬的吸附技術與研究進展

邢廣成
（沈陽航空航天大學能源與環境學院,沈陽110000）

摘要：本文首先講述了污水中重金屬的主要吸附方法，將整個吸附劑劃分為物理吸附、化學吸附和物理化學吸附。并就各吸附類型詳盡介紹了發生相關反應的條件和原理。然后逐一介紹了化學吸附的適用的吸附劑，同時介紹了化學吸附所運用的表面絡合模型和固溶體模型，對化學吸附進行詳細的分析。最后介紹國內外最新的重金屬吸附的研究現狀。

關鍵詞：重金屬；吸附；表面絡合；固溶體

1引言

在過去幾十年中,使用重金屬日益增加,不可避免地導致水環境中金屬物質的含量升。這些重金屬由于不能降解且保留下來而引起特別的重視。其其中最重要的技術有化學沉淀法、電子漂浮法、離子交換法、反向滲透和活性碳吸附法。

目前,研究較多的吸附重金屬的方法有（1）物理吸附法；（2）化學吸附法；（3）物理化學吸附法等。考慮到老化反應和新礦物形成的影響通過表面絡合污染物的釋放，表面沉淀，溶解/沉淀反應，我們結合考慮所有這些化學反應水的絡合。

2吸附研究

2.1物理吸附

活性炭在實踐中主要是水處理吸附劑，石墨表面發達的活性碳供應的吸附位點吸附重金屬。重金屬吸附材料一直被認為主要發生在酸性官能團如羧基和內酯基團。石墨烯層和含氧官能團中發揮重要重金屬的吸附作用。重金屬吸附發生在相同的吸附位點。活性炭吸附動力學研究表明，發現活性炭表面上是存在至少有兩個不同的強與弱的親和金屬的吸附位點；一是羧酸和內酯基團，二是一些弱的酚。

2.2化學吸附

2.2.1?膠體吸附

膠體具有良好的吸附陰陽離子的能力,以鐵氧化物為主要吸附成分的吸附劑的開發研制和應用已經得到了國內外的關注.在處理含有大量重金屬的污水的中，運用比較成熟的技術是沉淀技術、膠體吸附技術與共沉淀技術，研究表明：氫氧化鐵、氫氧化鋁和氫氧化錳膠體對其它重金屬有強烈的吸附作用。因此，氫氧化鐵、氫氧化鋁和氫氧化錳膠體對重金屬的吸附與共沉淀作用技術能夠有效地降低重金屬的濃度甚至完全移除污水中的重金屬。

2.2.2?碳酸鈣吸附

城市固體廢棄物焚燒飛灰的飛灰水洗液的碳酸化技術是近幾年來提出處理污水的新型技術。城市固體廢棄物焚燒飛灰水洗液的碳酸化技術將污水中重金屬穩定化重使廢液中所含的重金屬浸出率降低。碳酸化技術可以大大降低污水的毒性。

模擬過程中模型

2.2.3?表面絡合模型

氫氧化鐵和氫氧化鋁對于重金屬具有很好的吸附性，因此，共沉淀和吸附技術可有效地降低廢水中重金屬的濃度或甚至完全除去某些重金屬。表面絡合模型（SCM）和表面沉淀模型（SPM），它們已被廣泛應用到各種表面，如純金屬（鋁，硅，錳和鐵）的氫氧化物，碳酸鹽。表面絡合模型（SCM）在過去已經研究了重金屬吸附到鐵氧化物和羥基氧化物的研究。雙層模型（DLM）指出，在固體和水相之間的邊界層的表面，獨立的表面電荷，增加陰離子濃度中的擴散層，因為靜電力的存在。與此相反的恒定電容模型（CCM），所述電勢不改變向上，從相邊界一定距離，而不是立即以線性的方式下降。Dzombak和Morel（1990年）已經得到一個全面的數據庫，應用于鐵礦對重金屬的吸附與適合許多雙層吸附的模型。因此，該雙電荷層模型已成為事實上在自然環境中的重金屬吸附建模的標準，該數據庫包含與PHREEQC包含熱力學數據為衍生名為“HFO”（水合氧化鐵）的一個漫雙層表面（Dzombak和Morel1990年）。其中表面絡合反應的鐵礦的雙層模型（DLM）。擴散雙層的充電表面立即開始，并且表面電位直接連接到經由所述電容的表面電荷，所述的Gouy-Chapman雙層方程被用于限定的表面電位作為表面電荷和離子強度的函數。雙層模型被應用在許多計算機代碼中，諸如MINTEQ，PHREEQC。

在最近幾年中，碳酸化技術[47]是最近提出的關于廢水的處理中的一項新技術。在以前的工作中在單一吸附劑系統中砷酸的吸附，PokrovskyandSchott的恒定電容模型（CCM）給出重金屬在方解石表面給出的參數。模擬二進制吸附系統，是通過組合兩個單吸附劑的CCM模型模擬方解石吸附砷酸。在CCM模式不是在PHREEQC直接可用的，但是由于該系統的表面電位低，所以能夠修改模型在PHREEQC的應用，得到一個CCM等效模型。該模型為砷酸是基于對“強＞Ca”和“弱＞Ca”位點，總“＞Ca”位置密度為8.22lmol/平方米（等于“＞CO3”位點密度）的組合。

固溶體對于于清除從水中重金屬和用于限制重金屬在環境中的移動性有很重要的作用。對于固溶礦物形成的計算，在結合位點的混合模型（代元素可以取代僅在晶體結構中的某些位點的某些元素）可以通過方解石用于移除溶液中痕量的重金屬元素。重金屬與方解石的共沉淀可以結合PHREEQC的“固體溶液”選項建模。

2.3物理化學吸附

離子交換樹脂法，利用離子交換劑中的可交換基團與溶液中各種離子間的離子交換能力的不同來進行分離的一種方法。離子交換技術在富集和分離微量或痕量元素方面應用很廣.例如分離水中的鋰離子、錳離子、銅離子、鐵離子、鋅離子等多種金屬離子。

3國內外主要研究進展

GiehyeonLee等人研究表明[1]：鐵，鋁，錳形成的不定形氧化物的飽和水合物具有良好的吸附作用。含有鐵鋁錳的不定形氧化物的飽和水合物的樣品對含有鉛銅鋅的溶液具有十分理想共沉淀作用。RussellJ.Crawford、IanH.Hardinget等人的研究中表明[2]：膠體的吸附吉布斯自由能絕對值越大，吸附效果越好。膠體的介電常數越大，對金屬自由離子的吸附或沉淀效果越好；膠體的介電常數越小，對金屬離子對應的絡合物吸附或沉淀效果越好。膠體的表面積對吸附效果的影響效果較小。等電點對吸附的等溫線的PH的變化范圍影響很大。C_Namasivaym,等人的研究中表明[3]：Fe(OH)3膠體吸附對溶液中重金屬的影響主要由金屬離子初始濃度、攪拌時間、反應時的溫度和溶液此時的pH值決定。吸附等溫線方程可以準確地用拉格繆爾和弗路恩德里奇等溫方程來描述。ojtechEttler等的研究表明：碳酸鈣沉淀（calciteprecipitation）對Mg，Fe，Mn，Ba具有較好的移除效果。對As，Ni，Se的移除效果不佳。因為研究的浸出液中Cd，Cu，Pb，Zn的含量很少，所以沒有觀察到對這幾種重金屬的移除效果。michaeloschwarts等的研究表明：碳酸鈣與重金屬生成的共沉淀法對與去除溶液中的鎘，銅，錳，鉛，鋅等重金屬離子具有比較理想的移除效果。L.Z.Lakshtanov,S.L.S.Stipp.研究表明: 和CaCO3能生成共沉淀。得出了碳酸鈣與鎳所形成的共沉淀的反應機理以及所需的分配系數。

4結論

吸附分為物理吸附、化學吸附和物理化學吸附。化學吸附別廣泛用于各種重金屬的吸附應用中。膠體吸附是目前研究最多的吸附，吸附效果好。

表面絡合模型（SCM）和表面析出模型（SPM），已被廣泛適用于各種表面，如純金屬（Al，Si，Mn，Fe）的氫氧化物和碳酸鹽，硫化物。

關于方解石的吸收性能尤其是二價陽離子的結合傾向，除了實驗研究分區固體和溶液之間的行為，有效方法已被開發用于模擬固體溶液形成，利用參數來描述固溶體的形成的方程。

參考文獻：

[1]GiehyeonLeea,*,JerryM.Bighamb,etal.RemovaloftracemetalsbycoprecipitationwithFe,AlandMnfromnaturalwaterscontaminatedwithacidminedrainageintheDucktownMiningDistrict,Tennessee[J].AppliedGeochemistry17(2002)569-581.

[2]RussellJ.Crawford,IanH.Harding.Adsorptionandcorprecipitationofsingleheavymetalionsontothehydratedoxidesofironandchromium[J].Langmuir1993,9,3050-3056.

[3]C_Namasivaym,等.用“廢物”氫氧化鐵(Ⅲ)/鉻(Ⅲ)的吸附去除污水中的鎘.地質科學譯叢，1997(06).

作者簡介：邢廣成(1988-)，男，碩士研究生，主要從事：固體廢棄物處理的研究工作。