典型吸附劑在地下水污染防治中的應用研究

高優娜，趙 瓊，楊志明，莫日根敖其爾

（1.內蒙古第三地質礦產勘查開發有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010011；2.內蒙古正華煤炭科工貿有限公司，內蒙古 呼和浩特 010000）

引言

地下水資源作為我國水資源體系中不可或缺的組成部分，支撐著農業灌溉、城市供水和工業生產，但隨著工業化和城市化進程加速推進，地下水面臨日益嚴重的污染威脅。例如，某城市是中國重要的工業中心之一，長期以來工業廢水排放和農業污染物滲入地下水已導致地下水質量下降，引發了嚴重的地下水污染問題，不僅危及周邊地區的生態環境，還威脅到了數百萬人口的健康，對整個區域的可持續發展產生了負面影響。

1 研究背景與地區概況

某城市地下水污染問題與其地質特征密切相關，該地區的地質構造復雜且地下巖層多變，不同地層的滲透性差異巨大，導致了污染物在地下水中的遷移速度和路徑存在著不均勻性。一些地層對污染物的傳播具有較高的滲透性，而其它地層可能會限制污染物的傳播，此區域水文特征還受到季節性降水和地下水補給帶來的影響，再加上長期的過度開采和地下水污染，地下水位迅速下降造成水資源緊張的狀況[1]。季節性降水波動使地下水位的恢復變得更加困難，加劇了地下水資源的壓力。解決該地區地下水污染問題存在較多困難，并受制于地質和水文情況對其影響的復雜性，這突出了吸附劑在地下水污染防治中應用的迫切性。我們需要采取科學合理的措施保護地下水資源，以及更好地保障生態平衡和人類健康。

2 地下水污染及吸附劑的應用

2.1 地下水污染機制

在某城市地下水污染案例中，污染源多元化且傳播途徑復雜，這為地下水污染機制的深入研究提供了重要資料。作為一個重要的工業中心，各類工業生產活動導致大量有機物和重金屬等污染物進入地下水，污染源主要包括化工廠、電子制造業、冶煉企業等；農業生產中的化肥、農藥和獸藥等化學品經雨水沖刷和滲透進入地下水，導致地下水中的氨氮、硝酸鹽等含量升高；大量城市污水被排放到下水道系統中，其中一部分滲漏到地下水，這些污水中含有有機物、微生物和各種化學物質[2]。地下水受到地質特征的影響，不同地層中的地下水流速差異明顯，導致污染物在地下水中的傳播速度和路徑不均勻，會在地下水中形成長期的滲透帶。工農業生產過度開采地下水導致了地下水位下降，進一步加劇了污染物的遷移，地下水位降低使得地下水中的污染物更易到達淺層地下水，甚至影響地表水體。

2.2 吸附劑的定義與分類

吸附劑是一種具有特定化學或物理性質的材料，能夠將溶液中的污染物吸附到其表面，吸附過程是通過吸附劑表面的活性位點吸附溶液中的離子、分子或顆粒物質實現的。吸附過程通常是一個可逆的物理或化學反應，具有較高的選擇性和處理效率，使其成為地下水污染防治中的關鍵技術之一[3]。物理吸附是由于吸附劑表面的物理吸引力引起的，分子之間的范德華力和靜電吸引力是吸附作用存在的主要原因。吸附通常在低溫條件下進行，吸附與釋放均可逆進行。化學吸附機制涉及化學鍵的形成，通常是通過共價鍵或離子鍵來完成吸附。化學吸附通常在高溫條件下發生下，具有較高的選擇性。

天然吸附劑在自然界中廣泛存在，例如活性炭、黏土和硅膠等，可通過物理或化學處理提高其吸附性能，適用于地下水污染防治。疏水性吸附劑對疏水性污染物具有較高的親和力，如石墨烯、活性炭等；親水性吸附劑對親水性污染物更具吸附性能，如改性氧化鐵、聚合物樹脂等；陽離子交換吸附劑通常用于去除帶正電荷的污染物，如重金屬離子；陰離子交換吸附劑主要用于去除帶負電荷的污染物，如氨氮和硝酸鹽等。在地下水污染防治過程中，選擇合適的吸附劑非常重要，它們需要適應不同類型的污染物和水質特點，有助于高效去除地下水中的污染物，凈化地下水資源，以減少地下水污染對環境和人類健康的威脅。

2.3 吸附劑在地下水污染防治中的作用機制

吸附劑在地下水污染防治中起到關鍵作用，其作用機制可以分為吸附原理和去除機制兩個方面。吸附劑吸附原理是地下水污染治理的基礎，在吸附過程中，吸附劑表面的活性位點與污染物之間相互作用，污染物從溶液中被吸附到吸附劑表面。吸附劑表面具有一定的親和力，能夠與污染物形成吸附作用，親和力可以是物理親和力，如范德華力、靜電吸引力，也可以是化學親和力，如氫鍵或共價鍵。根據地下水污染物的性質，吸附劑應具有較高的親和性[4]。吸附過程達到平衡時，吸附劑表面的吸附位點為飽和狀態，不再吸附更多的污染物。吸附平衡是吸附劑設計應用的關鍵，吸附平衡通常受到溫度、溶液pH值、吸附劑的化學性質等因素的影響。

3 反排液中的離子成分和吸附模擬

3.1 反排液中的離子成分分析

反排液中的離子成分分析是地下水污染防治的關鍵環節，用于了解地下水污染程度并為后續的治理和處理提供關鍵數據[5]。取樣點的反排液現場取樣包括測量pH值、水溫以及分析陽離子和陰離子種類及其濃度等。pH值是衡量反排液酸堿性的關鍵參數，相關人員可以使用pH電極在取樣點現場測量pH值，酸性或堿性的pH值可能提示不同類型的污染源，例如低pH值可能暗示有酸性污染物的存在，如重金屬酸性排放等。測量水溫可以幫助理解地下水的溫度變化，水溫影響離子溶解度，因此在分析離子濃度時必須記錄水溫。反排液中離子成分統計見表1。

表1 反排液中離子成分統計表 單位：mg/L

反排液的pH值介于酸性和堿性之間（pH值=6.5），接近中性，表明反排液中沒有明顯的酸性或堿性污染物，中性pH值通常有利于大多數水體中的生態系統和生物多樣性。水溫通常受季節和地理位置的影響，25 ℃是相對較溫暖的水溫，但它可能是正常的季節性變化。Na+（17.4 mg/L）是地下水中的常見陽離子，其濃度在正常范圍內；Fe3+（2.3 mg/L）濃度較低，高鐵濃度可能來自于工業廢水排放或地下水中鐵的溶解；K+（71.5 mg/L）是地下水中的常見陽離子，其濃度在正常范圍內；Ca2+（51.5 mg/L）是地下水中的常見陽離子，其濃度在正常范圍內；Ba2+（30.5 mg/L）濃度較低，高鋇濃度可能源自地質或工業污染；Mg2+（75.2 mg/L）是地下水中的常見陽離子，其濃度在正常范圍內；Cl-（55.3 mg/L）濃度在正常范圍內，可能來自自然水體或城市污水排放；CO32-（50.3 mg/L）濃度較低，高碳酸根濃度可能源自工業廢水排放或地下水的碳酸鹽巖層；SO42-（87.3 mg/L）濃度較高，可能來自工業活動或地下水中的硫酸鹽。

3.2 吸附模擬方法介紹

吸附模擬方法是研究吸附劑如何與污染物相互作用以及如何去除它們的重要工具，相關人員在反排液成分分析的基礎上，可以采用吸附模擬來進一步了解吸附劑的性能和效率。吸附等溫線用于描述吸附劑上吸附物質的吸附和平衡，在分析反排液中的成分后，可以使用吸附等溫線模型來預測吸附劑與溶液中各種陽離子和陰離子的相互作用。Langmuir模型假定吸附劑表面有固定數量的吸附位點，吸附物質在這些位點之間產生吸附和脫附的平衡，這個模型通常用于描述單層吸附。通過實驗數據可以得到Langmuir等溫線，其中的參數如最大吸附容量和吸附平衡常數可以用于評估吸附劑的性能，吸附等溫線與Langmuir常數見圖1所示。

圖1 吸附等溫線與Langmuir常數關系圖

吸附等溫線橫坐標為Langmuir常數ρe，ρe＞1，縱坐標為ρe（x/m），見式（1）：

Langmuir吸附等溫模型中，吸附劑表面活性分布均勻，每個點均可吸附一個分子或離子，為單分子層吸附方式，吸附質所占面積保持一致。ρe很低時，1+bρe趨近于1；ρe很高時，1+bρe趨近于bρe。

吸附動力學模型用于描述吸附過程的速率和機制，在分析反排液成分后，可以使用吸附動力學模型來了解吸附劑與溶液中各種離子之間的吸附速率和平衡時間。Pseudo-First-Order模型假定吸附速率與吸附物質的濃度成比例關系，通過實驗數據可以得到Pseudo-First-Order模型的參數，如吸附速率常數和平衡吸附量，以評估吸附劑的吸附速度。Pseudo-Second-Order模型假定吸附速率與吸附物質的濃度平方成比例關系，通過實驗數據可以得到Pseudo-Second-Order模型的參數，如吸附速率常數和平衡吸附量，以評估吸附劑的吸附速度和吸附機制。綜合以上模型，吸附等溫線模型可用于了解吸附劑與溶液中離子的平衡，而吸附動力學模型則幫助我們了解吸附速率和機制。模型應用有助于優化吸附劑的設計和使用，以有效去除反排液中的污染物，提高地下水質量，保護環境和人類健康。

3.3 陽離子吸附劑對反排液的吸附模擬

在進行陽離子吸附劑對反排液的吸附模擬之前，相關人員首先需要選擇適當的陽離子吸附劑，并確定吸附實驗條件，然后進行吸附模擬和結果分析。根據反排液的離子成分分析情況，選擇適合的陽離子吸附劑非常重要，考慮到反排液中的離子成分，如Na+、K+、Ca2+、Ba2+和 Mg2+，選擇Amberlite IR-120強酸性離子交換樹脂，具有高選擇性，可以有效去除多種陽離子，具有優良的吸附性能。

在進行吸附實驗時，相關人員需要確定以下吸附條件：吸附劑用量根據反排液的體積和陽離子濃度，確定適當的吸附劑用量，以確保有足夠的吸附位點來去除陽離子；確定吸附平衡所需的時間，吸附實驗將進行一定時間的攪拌或靜置，以達到吸附平衡；進行吸附實驗時，要控制溫度以保持穩定條件，通常室溫（約25 ℃）是一個合適的選擇；根據反排液的pH值，可以調整吸附劑的pH值以最大程度地提高吸附效率；進行吸附實驗后，可以選擇Amberlite IR-120對吸附模擬進行分析，表2是吸附模擬結果的數據統計表。

表2 陽離子吸附模擬結果的數據統計表

吸附率可以通過式（2）計算：

分析結果應與實驗數據相對比，以驗證吸附模擬的準確性和吸附劑的性能，進一步的分析可以包括討論吸附動力學模型（如Pseudo-First-Order或Pseudo-Second-Order模型）來了解吸附速率，以及通過吸附等溫線模型（如Langmuir或Freundlich模型）來評估吸附平衡。這些分析有助于確定陽離子吸附劑的性能和適用性，為地下水污染治理提供重要信息。

3.4 陰離子吸附劑對反排液的吸附模擬

根據反排液中的陰離子成分分析，選擇適當的陰離子吸附劑至關重要。考慮到反排液中的陰離子成分，如Cl-、CO32-和SO42-，相關人員可以選擇一種離子交換樹脂來進行吸附實驗。一種常見的選擇是強堿性離子交換樹脂，其具有高選擇性，可以有效去除多種陰離子。作為一個示例，可以選擇規格型號為Purolite A520E的離子交換樹脂，它適用于高效去除多種陰離子。相關人員應根據反排液的體積和陰離子濃度，確定適當的吸附劑用量，以確保有足夠的吸附位點來去除陰離子；確定吸附平衡所需的時間，吸附實驗將進行一定時間的攪拌或靜置，以達到吸附平衡；要控制室溫（約25 ℃）以保持穩定條件；根據反排液的pH值，調整吸附劑的pH值，以最大程度地提高吸附效率；進行吸附實驗后，可以使用選擇的陰離子吸附劑（例如Purolite A520E）對吸附模擬進行分析，表3是吸附模擬結果的數據統計表。

表3 陰離子吸附模擬結果的數據統計表

分析結果應與實驗數據相對比，以驗證吸附模擬的準確性和吸附劑的性能。進一步的分析可以包括討論吸附動力學模型（如Pseudo-First-Order或Pseudo-Second-Order模型）來了解吸附速率，以及通過吸附等溫線模型（如Langmuir或Freundlich模型）來評估吸附平衡。這有助于確定陰離子吸附劑的性能和適用性，為地下水污染治理提供重要信息。

4 結語

綜上所述，地下水是人類生活和工業生產的重要水資源，地下水污染對環境和人類健康構成嚴重威脅。保護地下水資源對于可持續發展至關重要，研究區域的地質特征和水文情況對地下水污染的治理具有重要意義。將典型吸附劑應用于地下水污染防治，采用不同類型的吸附劑進行去除陽離子和陰離子污染物性能方面的實驗，能夠說明典型吸附劑在地下水污染防治中發揮著重要作用，可為地下水污染治理提供依據與方向。