改性秸稈吸附重金屬離子研究進展

摘 要：重金屬污染對生態環境有嚴重的危害，秸稈作為一種新型的吸附劑因成本低、產量大、可再生、吸附效率好等特點具有廣闊的應用前景。本文重點描述改性秸稈在重金屬吸附領域的應用以及檢測分析方法，為以廢治廢，節約能源打開了新思路。

關鍵詞：秸稈 重金屬 離子交換

1、引言

秸稈是指農業生產和加工過程中的產生的剩余物，也是一種可再生資源。我國是一個農業大國，據統計全國每年大約生產農作物秸稈8億噸，部分秸稈用于還田、制成飼料、制成燃料、發電等，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，霧霾現象嚴重危害著人們的身體健康，秸稈的焚燒不僅會加劇霧霾現象，還會釋放大量的有毒有害物質，影響交通，因此，國家禁止焚燒秸稈，每逢農作物收獲季節，秸稈的處理就成了農民及社會的頭疼問題。

重金屬污染指的是由重金屬及其化合物引起的環境污染。主要來源于工業廢水、電鍍、冶煉、油漆、顏料以及電池等行業，以其持久性強，難降解，易通過食物鏈進行富集，毒性大，微量即可危及生命等特點成為了熱點問題。目前傳統的重金屬污染的處理方法包括化學沉淀、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，將秸稈作為重金屬廢水的吸附劑不僅為重金屬廢水的處理開辟了新的道路，同時也能解決秸稈的處理問題，變廢為寶，以廢治廢，節約能源保護環境。

2、重金屬危害及污染特點

2.1 重金屬的危害

重金屬離子及其化合物對生物體的毒性作用取決于其與生命有機體的結合作用，這種結合作用越強，產生的毒性作用就越大。汞、鎘和鉛是對人體健康和環境危害最大的三重金屬。歷史上發生的許多重金屬污染的重大環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入人體，在人體內富集到一定的濃度，會對人體的腎臟系統、泌尿系統、神經系統、造血系統以及心腦血管等方面產生致命的影響，危害著人們的生產生活。

2.2 重金屬污染特點

（1）污染范圍廣。在全國范圍內，諸多水系均受到不同程度的重金屬污染，總體污染率已達到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）復合污染嚴重。在一個水系中，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，已經超過國家所規定的Ⅴ類水質標準，而鋅及銅含量也超過Ⅰ類標準[1]。

（3）沉積物中的含量高于水相。水環境中的重金屬含量與水體的pH值相關，堿性條件下易沉淀于底泥，酸性條件下易釋放進入水體。而進入水體重金屬大部分會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。

3、改性秸稈在重金屬吸附領域的應用

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、半纖維素以及木質素等粗纖維，富含羰基、羥基、羧基等具有絡合能力、離子交換能力的活性官能團，同時秸稈具有較大的比表面積，屬于多孔性物質，對重金屬陽離子有較為理想的吸附作用。秸稈對于重金屬的吸附是基于物理吸附和化學吸附，其中化學吸附效率較高，屬于主要吸附力。化學吸附指的是離子交換，重金屬陽離子與秸稈中的H離子發生交換，從而將重金屬陽離子吸附在秸稈上。但是，自然狀態下的秸稈中，可進行離子交換的羧基較少，科學研究者利用很多化學物質對秸稈進行改性，破壞晶體結構，打破氫鍵，增大比表面積，增大孔隙，從而改善吸附能力。

3.2 檢測方法

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

（1）電感耦合等離子體發射光譜分析 （ICP-AES）

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

（2） 傅里葉紅外光譜分析（FTIR）

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

（3）掃描電鏡分析（SEM）

SEM通過極細電子束在對物質表面掃面時會形成電信號，再通過熒光屏顯示出物質的表面圖像，而且通過能譜還能對物質不同層次斷面的化學元素組成給出定性與定量的結果[3]。

吸附前秸稈呈現比較規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，說明微孔結構在吸附過程中起關鍵作用。

（4）比表面積分析（BET）

改性之后，秸稈的比表面積、孔容以及孔徑會發生相應的變化。改性之后，比表面積會變小，這是因為改性過程中參加反應的改性試劑與秸稈表面的官能團發生化學反應，進入空隙結構占據了部分表面積[4]。

4、結論

在一個崇尚環保、綠色的社會中，變廢為寶以廢治廢已經成為不可阻擋的國際趨勢。已有大量的學者在這條道路上為我們披荊斬棘，給予我們新思路新方法。我國是一個農業大國，每年有大量的秸稈產生。目前國內大部分地區對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，還有相當一部分的秸稈直接燃燒，不僅浪費資源，破壞生態平衡，還可能造成更嚴重的環境問題。如若將秸稈轉化為資源加以利用，比如制成重金屬離子吸附劑，不僅節約資源保護環境，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的改性研究，能將其從實驗室延伸到工業廢水處理的實踐中，為重金屬離子的去除開創新的研究技術方法。

5、展望

山東是一個農業大省，是我國重要的糧食作物生產區，也是秸稈產量豐富的省份之一。糧食作物主要以小麥、玉米為主。經濟作物主要以棉花、花生和瓜菜為主。各種農作物秸稈產量已達7069.5萬噸。除去部分不可用秸稈，全省可用秸稈達到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單又環保的，對整個生態環境貢獻巨大。希望研究者能在原始秸稈的基礎上，研發出更有效、無毒、簡單的重金屬吸附劑。

參考文獻：

[ ]楊瑩.我國水環境重金屬污染現狀及檢測技術[J].地球，2016，11，369.

[2]于芳，宋進喜.小麥秸稈對溶液中鉛、鎘離子吸附性能的研究[D].西安：西北大學. 2013.

[3]曾漢民.功能纖維[M].北京：化學工業出版社，2005.

[4]陳素紅，岳欽艷.玉米秸稈的改性及其對六價鉻離子吸附性能的研究[D].山東濟南：山東大學.2012.

作者簡介：

尹卓坤（2000.12-），男，漢族，山東濰坊人。