金屬基吸附劑除硝酸鹽氮研究進展

李懋鋒

(沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院，遼寧沈陽110168)

為我國70 %人口，農(nóng)村地區(qū)95%人口提供飲用水源的地下水，其水質(zhì)安全與地表水相比通常被忽視[1]。農(nóng)田化肥的使用以及垃圾填埋的后續(xù)惡劣影響，成為我國地下水活性氮泄露的兩大主要原因，對我國農(nóng)村用戶和城市用戶造成了不同程度的用水隱患[2]。尤其是對于常年使用井水的農(nóng)村用戶，用水通常未經(jīng)處理，其潛在危害不可估量。Zhai等[3]基于中國現(xiàn)有的地下水硝酸鹽數(shù)據(jù)集(2000—2015年)，對除澳門以外的33個省(單位)的省級地下水污染水平進行了評價，結(jié)果表明硝酸鹽濃度超過《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)要求(10 mg/L)的有7個省份，低于標準的有26個省份，但其中50%的省份地下水硝酸鹽濃度逼近標準。硝酸鹽超標不但會導致水體富營養(yǎng)化，還會影響飲用水供水安全。長期飲用含高濃度硝酸鹽的水會引發(fā)藍嬰癥(嬰兒易感)和高血紅蛋白癥，同時硝酸鹽也是某些癌癥的誘發(fā)因素[3]。因此，地下水硝酸鹽污染是需要廣泛重視和亟需解決的問題。

伴隨著飲用水硝酸鹽去除技術的發(fā)展，吸附法因其操作簡便、投加方便和效率高等優(yōu)點被認可。有研究表明，在吸附劑表面浸漬金屬或金屬氧化物可以增大吸附劑的比表面積和孔體積，從而提高吸附劑的吸附能力[4]。通過該方法負載一些多價金屬離子，可以通過其所帶的正電荷吸引和吸附硝酸鹽等陰離子，或通過金屬氧化物表面水合時與表層金屬離子配位形成表面羥基，進而利用羥基質(zhì)子化的性質(zhì)吸引硝酸鹽離子。基于以上特性，金屬基吸附劑在去除硝酸鹽的研究中取得了不少突破。

1 單金屬吸附劑去除硝酸鹽氮中的研究

1.1 鋯基吸附劑

1.2 鐵基吸附劑

1.3 鎂基吸附劑

2 雙金屬吸附劑去除硝酸鹽氮中的研究

某些情況下，單一金屬對吸附劑進行改性并不能穩(wěn)定高效地發(fā)揮出基體材料的全部吸附性能，因此通常會引入另一金屬材料進行聯(lián)用。

2.1 鐵基雙金屬吸附劑

通過引入輔助金屬防止零價鐵失活，從而提高零價鐵還原硝酸鹽氮的效率是一種可靠的方法。以此為基礎所制備的鐵基雙金屬材料較為常見。Cheng等[16]選擇了高安全性的金屬鋁作為輔助金屬，并以殼聚糖為交聯(lián)劑制備了鐵鋁雙金屬/殼聚糖/膨潤土復合物，在保證零價鐵活性的情況下，可在低溫條件下有效去除水體中的硝酸鹽，60 min內(nèi)對濃度為50 mg/L的硝酸鹽廢水的去除率約為90%。Shubair等[17]研究了多層系統(tǒng)中使用納米零價鐵(nZVI)和銅改性后的零價鐵(nano-Fe/Cu)對硝酸鹽氮的去除效果，結(jié)果表明在原水硝酸鹽濃度為45 mg/L的情況下，采用10 cm高的單層nZVI/砂柱可去除97%以上的硝酸鹽。而使用雙5 cm高nano-Fe/Cu /砂柱時，去除率可達100%。此外，納米Fe/Cu顆粒對模擬地下水硝酸鹽的去除效果優(yōu)于單獨使用nZVI粒子。

2.2 層狀雙金屬氫氧化物吸附劑

層狀雙金屬氫氧化物(簡稱LDHs)是由2種或2種以上的金屬陽離子組成的具有類水鎂石層狀晶體結(jié)構(gòu)的氫氧化物，是一種無機陰離子交換材料，能與水中的陰離子產(chǎn)生交換作用[18]。其中改變LDH的金屬成分可以改變其對水體中陰離子的選擇性。Xue等[19]采用液相沉積法制備了鎂鐵層狀雙氫氧化物(Mg/Fe-LDH)顆粒，后續(xù)制備了生物炭-Mg/Fe-LDH復合材料用于水溶液中硝酸鹽的去除，對硝酸鹽有較強的吸附能力，Langmuir最大吸附量為24.8 mg/g。Ivánová等[20]在低過飽和與高過飽和條件下，使用共沉淀法合成了2種Mg/Al-碳酸鹽層狀雙氫氧化物, 在硝酸鹽含量為100 mg/L的模型溶液中，使用高過飽和制備的CLDH1吸附劑可獲得74%的最去除率，當濃度為150 mg/L時，低過飽和制備的CLDH2對硝酸鹽的去除率最高可達86%。

2.3 其他雙金屬氧化物吸附劑

3 結(jié)語與展望

金屬的多樣性和獨特的化學性質(zhì)，使其在吸附劑的研發(fā)中被廣泛用作改性材料，但依然存在以下兩個問題：一方面出于適用性的考慮，部分金屬基吸附劑只有在硝酸鹽離子濃度高且其余陰離子均處于低濃度水平的情況下，才能體現(xiàn)出對硝酸鹽氮的去除效果，削弱了吸附劑的現(xiàn)實意義，這是需要克服的難題。另一方面，在吸附效率的提高上，納米金屬的引入是一種有效解決方法，但需要注意納米金屬粒子的毒性，防止其在吸附過程中分散于水體中，造成污染。