廢水中重金屬離子吸附影響因素研究

徐揚，唐婧

（沈陽建筑大學市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168）

廢水重金屬離子污染是一個全球性的環境問題，特別是在發展中國家，這是由于日益增加的工業和農業活動以及廢水和生活污水中有毒重金屬離子的不當釋放[1]。大多數有毒重金屬離子包括Cd(II)、As(III和V)、Cr(III和VI)、Cu(II)、Pb(II)和Hg(II)在人體和動物體內容易生物積累，對生態環境和人類健康構成嚴重威脅[2]。因此，有效地去除這些有毒污染物就顯得尤為重要。

許多常見技術，如離子交換、膜分離、電化學處理已被用于處理廢水中的重金屬離子，而它們中的大多數技術是昂貴的，操作過程復雜，很可能會造成二次污染，從而限制它們的應用[3]。近年來，吸附法以快速高效廉價的特點實現了廢水中重金屬離子的穩定去除，并得到了廣泛的應用[4]。迄今為止，吸附法仍然是最有效的方法之一。

環境因素對吸附效能的影響研究具有十分重要的意義。在影響廢水重金屬離子的吸附能力中，主要參數如溶液pH、吸附劑用量、初始重金屬離子濃度、吸附時間、溫度、共存離子影響等。本文從這些影響因素分別展開綜述。

1 主要影響因素

1.1 pH值

研究重金屬離子吸附過程中，pH值通常被認為是第一個重要參數，它影響著重金屬離子的存在形態，對吸附劑的吸附特性以及吸附劑的表面電荷有重要影響。肖俊杰[5]使用改性海泡石吸附溶液中Cu2+和Cr3+，在較低pH值下，吸附效果均不佳，隨著pH增大，吸附效果逐漸增強，在pH為6時吸附量最大，分別為35.30 mg·g-1和36.50 mg·g-1。繼續增大pH，吸附量不再改變。He[6]等制備一種季銨化納米纖維素氣凝膠吸附鉻離子，pH為3時吸附率超過91%，而高于或低于此pH值時，都會導致吸附率下降。Panya[7]等使用生物炭吸附Cd2+、Cr3+、Pb2+和Hg2+，Pb2+在pH為7時的最大吸附量為50.05 mg·g-1，其余3種離子不超過30 mg·g-1。Cr3+和Hg2+在pH＞4時會產生沉淀，Cd2+和Pb2+在pH＞7時產生沉淀。

1.2 吸附劑用量

通常來說，吸附劑用量越多，吸附效果越好，這是因為其表面積和可交換位點更易接近。在Somaye[8]等研究了殼聚糖對Pb2+的吸附能力，隨著殼聚糖由0.02 g·L-1增至0.2 g·L-1時，吸附率提高了近78%，在該劑量范圍內，活性點位數的數量倍增與Pb2+結合通過離子交換或螯合作用而快速被吸附，繼續增加劑量，去除率略有增加并最終保持不變。Liu[9]等將葡萄糖與殼聚糖聚合成高分子樹脂吸附Co2+，當吸附劑在0～0.02 g范圍內，吸附劑用量增加有利于Co2+的吸附，超過0.02 g后，吸附量無任何改變。這是由于Co2+濃度不變，過多的吸附劑可能會發生聚集，空吸附位點消失，導致吸附量不變。

1.3 初始重金屬離子濃度

初始重金屬離子濃度與吸附劑活性位點的相對關系對吸附實驗有重要影響。初始重金屬離子濃度的增加可能會導致去除率有所降低，但同時會伴隨著吸附量的增加。Gu[10]等用納米氧化鋅處理牙科廢水中Cr3+，研究發現隨著Cr3+濃度的增加，Cr3+吸附量雖有所增加，反觀吸附率卻在下降。這是因為Cr3+濃度較低時，ZnO-NPs具有較大的比表面積和較多吸附孔位，Cr3+濃度增加會導致離子間的相互碰撞和相互作用增加，阻礙離子遷移，進而影響吸附率。Ikhazuagbe[11]等通過綠色合成技術從甘蔗渣合成了二氧化硅顆粒，Pb2+和Ni2+質量濃度在10～50 mg·L-1之間增加，吸附率分別表現出先增加再降低的趨勢，在40 mg·L-1達到平衡峰值。

1.4 吸附時間

吸附剛開始的一段時間內，吸附劑快速從水中吸附重金屬離子，而后慢慢隨著時間達到平衡。Fan[12]等自合成了一種多孔SBS/藻酸凝膠珠，Pb2+和Cd2+分別僅在10 min達到了吸附容量的80.50%和76.10%。NabilA[13]等以硝酸鈰銨為引發劑，纖維素和DB18C6為原料合成新型超分子復合材料，吸附溶液中Zn2+和Ni2+，結果表明在20～60 min內，Zn2+和Ni2+去除率分別由35%和50%提高到70%和79%，而60 min后，吸附量均保持不變，因此確定的最佳吸附時間為60 min。Lo[14]等使用毛竹活性炭吸附去除Pb2+，前2 h去除率達到79.30%，4 h后去除率保持在99.0%，達到吸附飽和。D.Bo?i?[15]等將多種木屑合成吸附材料，發現對Cu2+和Cd2+吸附是分兩步進行的，前10 min內，吸附反應迅速發生，吸附率分別達到了98.20%和98.90%，30 min時達到穩定，之后吸附量沒有顯著增加，且該吸附符合準二級動力學模型，與N.Fiol[16]所得出的結論一致。

1.5 溫度

溫度對吸附量的影響主要是通過影響分子間相互作用和溶解度來實現的。在大多數情況下，吸附劑對重金屬離子的吸附量隨著溫度的升高而增加，這可能是由于吸附劑表面吸附位點數量增多或金屬離子擴散速率加快所致。S.Mnasri-Ghnimi[17]等研究溫度對改性柱黏土吸附Cd2+的影響。隨著溫度升高，吸附量和吸附率均大幅提升，符合準二級動力學模型和朗繆爾等溫模型。但在某些情況下，隨著溫度的升高，重金屬離子的吸附量也可能降低，吸附的綜合作用結果是在一定溫度范圍內有較好的吸附作用。Milton[18]等以碳酸鈣為載體，合成納米二氧化硅吸附實際工業廢水中Pb2+，當溫度從20 ℃升高到60 ℃，吸附率提高至99.57%，而吸附量在50 ℃達到飽和，在60 ℃時反而下降了8.25 mg·g-1。

1.6 共存離子

重金屬廢水中經常會出現多種離子共存的情況，它們競爭同一吸附位點，相互干擾，從而影響吸附效果。Bing-JieNi[19]用生物炭研究二元體系Pb2+和Cd2+的競爭吸附，單金屬體系中Pb2+和Cd2+的最大吸附量分別為0.75和0.55 mmol·g-1，而當它們共存于同一溶液中，Cd2+在生物炭上吸附受到嚴重抑制，Pb2+則受影響不大，更具有競爭優勢。Johnson.E[20]采用納米纖維有機骨架膜吸附Zn2+、Cd2+、Pb2+和Hg2+，對照單金屬體系，共存使它們的吸附率分別下降18%～37%不等，且在金屬陽離子存在越多的背景下，競爭吸附越明顯。這表明競爭吸附會導致所有離子吸附能力降低，每種離子與吸附劑之間的親和力各有不同，因此每種離子下降程度不同，也與Li[21]研究成果相似。Xu[22]等使用羧基化磁性氧化鐵納米顆粒同時吸附溶液中的Pb2+、Cu2+、Cd2+和Ni2+競爭吸附過程，以初始濃度為1.0 mmol·L-1的重金屬混合溶液，羧基化磁性氧化鐵納米顆粒MNPs-COOH吸附率的優先順序為Cd2+＞ Cu2+＞ Pb2+＞ Ni2+，盡管隨著吸附劑用量增加，吸附量也仍符合此順序。不但共存的陽離子會影響目標重金屬離子的吸附效果,共存陰離子也會影響吸附作用。王建龍[23]等用生物菌藻類作吸附劑吸附鉻離子, 低濃度的Cl-對吸附有促進作用, 而Br-、NO3-對吸附均有抑制作用。

2 結 論

吸附法作為一種重要的處理重金屬廢水的方法已經取得了優異的效果，不同的控制因素對重金屬離子的去除性能都有顯著影響，合理的控制各種因素使其在最佳因素下，不僅可以最大效果的去除重金屬離子，同時也可提高其穩定性。