改性秸稈吸附重金屬離子研究進(jìn)展

摘 要：重金屬污染對(duì)生態(tài)環(huán)境有嚴(yán)重的危害，秸稈作為一種新型的吸附劑因成本低、產(chǎn)量大、可再生、吸附效率好等特點(diǎn)具有廣闊的應(yīng)用前景。本文重點(diǎn)描述改性秸稈在重金屬吸附領(lǐng)域的應(yīng)用以及檢測(cè)分析方法，為以廢治廢，節(jié)約能源打開了新思路。

關(guān)鍵詞：秸稈 重金屬 離子交換

1、引言

秸稈是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和加工過程中的產(chǎn)生的剩余物，也是一種可再生資源。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)全國(guó)每年大約生產(chǎn)農(nóng)作物秸稈8億噸，部分秸稈用于還田、制成飼料、制成燃料、發(fā)電等，但大部分的秸稈利用率低。以前的秸稈主要通過焚燒處理，近年來，霧霾現(xiàn)象嚴(yán)重危害著人們的身體健康，秸稈的焚燒不僅會(huì)加劇霧霾現(xiàn)象，還會(huì)釋放大量的有毒有害物質(zhì)，影響交通，因此，國(guó)家禁止焚燒秸稈，每逢農(nóng)作物收獲季節(jié)，秸稈的處理就成了農(nóng)民及社會(huì)的頭疼問題。

重金屬污染指的是由重金屬及其化合物引起的環(huán)境污染。主要來源于工業(yè)廢水、電鍍、冶煉、油漆、顏料以及電池等行業(yè)，以其持久性強(qiáng)，難降解，易通過食物鏈進(jìn)行富集，毒性大，微量即可危及生命等特點(diǎn)成為了熱點(diǎn)問題。目前傳統(tǒng)的重金屬污染的處理方法包括化學(xué)沉淀、離子交換、膜分離、活性炭吸附等。這些處理方法往往成本高，易造成二次污染，且對(duì)于濃度低于100mg/l的重金屬離子而言，效果不理想。基于此，將秸稈作為重金屬?gòu)U水的吸附劑不僅為重金屬?gòu)U水的處理開辟了新的道路，同時(shí)也能解決秸稈的處理問題，變廢為寶，以廢治廢，節(jié)約能源保護(hù)環(huán)境。

2、重金屬危害及污染特點(diǎn)

2.1 重金屬的危害

重金屬離子及其化合物對(duì)生物體的毒性作用取決于其與生命有機(jī)體的結(jié)合作用，這種結(jié)合作用越強(qiáng)，產(chǎn)生的毒性作用就越大。汞、鎘和鉛是對(duì)人體健康和環(huán)境危害最大的三重金屬。歷史上發(fā)生的許多重金屬污染的重大環(huán)境公害問題主要是這三種重金屬引起的，如汞污染引起的日本的水俁病，鎘污染引起的骨痛病以及我國(guó)的兒童血鉛事件等。重金屬污染屬于慢性積累性的污染，它可以通過呼吸道、皮膚、消化道以及食物鏈等進(jìn)入人體，在人體內(nèi)富集到一定的濃度，會(huì)對(duì)人體的腎臟系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、造血系統(tǒng)以及心腦血管等方面產(chǎn)生致命的影響，危害著人們的生產(chǎn)生活。

2.2 重金屬污染特點(diǎn)

（1）污染范圍廣。在全國(guó)范圍內(nèi)，諸多水系均受到不同程度的重金屬污染，總體污染率已達(dá)到75%，如貴陽市的紅楓湖、海南三亞灣、連云港市的排淡河等，均具有十分明顯的重金屬污染特性。

（2）復(fù)合污染嚴(yán)重。在一個(gè)水系中，往往是多種重金屬共存，加劇了污染，如山東省的大沂河在鉛及鎘等含量方面，已經(jīng)超過國(guó)家所規(guī)定的Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而鋅及銅含量也超過Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)[1]。

（3）沉積物中的含量高于水相。水環(huán)境中的重金屬含量與水體的pH值相關(guān)，堿性條件下易沉淀于底泥，酸性條件下易釋放進(jìn)入水體。而進(jìn)入水體重金屬大部分會(huì)依存在底泥沉積物中，使得水體溶解的重金屬含量低于底質(zhì)。

3、改性秸稈在重金屬吸附領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 秸稈的特性

秸稈類吸附劑的主要元素組成為C、N、O，如小麥秸稈中，揮發(fā)分約占69%，固定碳約占23%，灰分約占8%，其本身的重金屬含量很低[2]。秸稈的主要成分是纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素等粗纖維，富含羰基、羥基、羧基等具有絡(luò)合能力、離子交換能力的活性官能團(tuán)，同時(shí)秸稈具有較大的比表面積，屬于多孔性物質(zhì)，對(duì)重金屬陽離子有較為理想的吸附作用。秸稈對(duì)于重金屬的吸附是基于物理吸附和化學(xué)吸附，其中化學(xué)吸附效率較高，屬于主要吸附力。化學(xué)吸附指的是離子交換，重金屬陽離子與秸稈中的H離子發(fā)生交換，從而將重金屬陽離子吸附在秸稈上。但是，自然狀態(tài)下的秸稈中，可進(jìn)行離子交換的羧基較少，科學(xué)研究者利用很多化學(xué)物質(zhì)對(duì)秸稈進(jìn)行改性，破壞晶體結(jié)構(gòu)，打破氫鍵，增大比表面積，增大孔隙，從而改善吸附能力。

3.2 檢測(cè)方法

秸稈吸附重金屬離子研究中常用到的檢測(cè)分析儀器有電感耦合等離子發(fā)射光譜儀、傅里葉紅外光譜分析儀、掃描電鏡、比表面積測(cè)定儀等。

（1）電感耦合等離子體發(fā)射光譜分析 （ICP-AES）

ICP-AES主要用于微量元素的定性定量分析，測(cè)定范圍廣，靈敏度高，可以用于檢測(cè)重金屬的濃度。

（2） 傅里葉紅外光譜分析（FTIR）

FTIR的原理是將一束不同波長(zhǎng)的紅外射線照射到物質(zhì)的分子上，利用某些特定波長(zhǎng)紅外射線的能量被吸收，從而形成這種物質(zhì)的紅外吸收光譜[4]。可以給出許多未知化合物可能存在某些功能集團(tuán)的結(jié)構(gòu)信息，可以用于研究纖維素大分子結(jié)構(gòu)中所含有的官能團(tuán)。

（3）掃描電鏡分析（SEM）

SEM通過極細(xì)電子束在對(duì)物質(zhì)表面掃面時(shí)會(huì)形成電信號(hào)，再通過熒光屏顯示出物質(zhì)的表面圖像，而且通過能譜還能對(duì)物質(zhì)不同層次斷面的化學(xué)元素組成給出定性與定量的結(jié)果[3]。

吸附前秸稈呈現(xiàn)比較規(guī)則的條狀排列且具有明顯空隙；吸附后麥稈表面變得粗糙，微孔棱邊界變得較為模糊，多孔性不如吸附前，說明微孔結(jié)構(gòu)在吸附過程中起關(guān)鍵作用。

（4）比表面積分析（BET）

改性之后，秸稈的比表面積、孔容以及孔徑會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。改性之后，比表面積會(huì)變小，這是因?yàn)楦男赃^程中參加反應(yīng)的改性試劑與秸稈表面的官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)入空隙結(jié)構(gòu)占據(jù)了部分表面積[4]。

4、結(jié)論

在一個(gè)崇尚環(huán)保、綠色的社會(huì)中，變廢為寶以廢治廢已經(jīng)成為不可阻擋的國(guó)際趨勢(shì)。已有大量的學(xué)者在這條道路上為我們披荊斬棘，給予我們新思路新方法。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年有大量的秸稈產(chǎn)生。目前國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)對(duì)于秸稈的利用還僅局限于堆肥還田、用作飼料等方面，利用率低下，還有相當(dāng)一部分的秸稈直接燃燒，不僅浪費(fèi)資源，破壞生態(tài)平衡，還可能造成更嚴(yán)重的環(huán)境問題。如若將秸稈轉(zhuǎn)化為資源加以利用，比如制成重金屬離子吸附劑，不僅節(jié)約資源保護(hù)環(huán)境，還可以去除廢水中的重金屬離子，增加其利用附加值。利用改性秸稈吸附廢水中的重金屬，可以提高秸稈的吸附性能，提高利用效率。我們還需致力于秸稈類物質(zhì)的改性研究，能將其從實(shí)驗(yàn)室延伸到工業(yè)廢水處理的實(shí)踐中，為重金屬離子的去除開創(chuàng)新的研究技術(shù)方法。

5、展望

山東是一個(gè)農(nóng)業(yè)大省，是我國(guó)重要的糧食作物生產(chǎn)區(qū)，也是秸稈產(chǎn)量豐富的省份之一。糧食作物主要以小麥、玉米為主。經(jīng)濟(jì)作物主要以棉花、花生和瓜菜為主。各種農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量已達(dá)7069.5萬噸。除去部分不可用秸稈，全省可用秸稈達(dá)到6500萬噸，秸稈資源豐富。在眾多的秸稈利用方式中，制成重金屬吸附劑無疑是簡(jiǎn)單又環(huán)保的，對(duì)整個(gè)生態(tài)環(huán)境貢獻(xiàn)巨大。希望研究者能在原始秸稈的基礎(chǔ)上，研發(fā)出更有效、無毒、簡(jiǎn)單的重金屬吸附劑。

參考文獻(xiàn)：

[ ]楊瑩.我國(guó)水環(huán)境重金屬污染現(xiàn)狀及檢測(cè)技術(shù)[J].地球，2016，11，369.

[2]于芳，宋進(jìn)喜.小麥秸稈對(duì)溶液中鉛、鎘離子吸附性能的研究[D].西安：西北大學(xué). 2013.

[3]曾漢民.功能纖維[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[4]陳素紅，岳欽艷.玉米秸稈的改性及其對(duì)六價(jià)鉻離子吸附性能的研究[D].山東濟(jì)南：山東大學(xué).2012.

作者簡(jiǎn)介：

尹卓坤（2000.12-），男，漢族，山東濰坊人。