工業(yè)污水重金屬污染處理研究

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[摘要]未經(jīng)處理排放的工業(yè)廢水中的重金屬可能會(huì)對(duì)人類健康構(gòu)成威脅。有很多種不同方法去除工業(yè)廢水中的重金屬，其中使用活性炭吸附法是去除重金屬最常用的方法之一。事實(shí)證明，活性炭的吸附受許多因素的影響，包括活性炭的粒徑，被吸附物的濃度，吸附劑的表面積和孔徑，重金屬的類型以及要處理的水量。

[關(guān)鍵詞]重金屬；活性炭；吸附；污水；吸附等溫線

重金屬是巖石圈中的天然成分，具有許多重要功能并有助于生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[1]。重金屬污染是指自然環(huán)境中過(guò)量的天然金屬和各種工業(yè)或人為活動(dòng)在環(huán)境中產(chǎn)生重金屬，如Pb，Hg，Cd，Cr，Cu，Ni，Zn和As[2-3]。但微量重金屬的存在對(duì)人類、動(dòng)植物的新陳代謝活動(dòng)至關(guān)重要[1,4]?；厥沼糜诠喔饶康牡膹U水、土地施用的廢水污泥、市政垃圾、工業(yè)垃圾、甚至在采礦和農(nóng)業(yè)中使用化學(xué)品，這些物質(zhì)處理不當(dāng)可以污染水體[5]。另一方面，有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物通常隨著時(shí)間推移而造成生物積累，從而對(duì)生活在濕地系統(tǒng)和陸地生物中的生物構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)[2]。多年來(lái)，由于環(huán)境中重金屬的過(guò)量增加和相關(guān)的潛在性健康和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，重金屬對(duì)生態(tài)的影響已引起世界監(jiān)管機(jī)構(gòu)和政府機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注[6-7]。在中國(guó)這樣的快速發(fā)展的國(guó)家，重金屬污染十分嚴(yán)重，如果不加以控制，可能會(huì)對(duì)公眾健康構(gòu)成威脅[2]。另一方面，重金屬是不可生物降解的，當(dāng)被引入陸地或水生生態(tài)系統(tǒng)時(shí)，它們只能在食物鏈中向上累積，因?yàn)樗鼈儫o(wú)法被改變或被生物降解為其他危害較小的化合物[7]。重金屬的積累導(dǎo)致了生物放大作用，這造成了食物鏈中重金屬污染物的積累[3]，從而導(dǎo)致重要器官生物器官(例如肺，腎等)功能失調(diào)[6-7]。

1工業(yè)廢水中的重金屬污染

近年來(lái)，由于電鍍、電池生產(chǎn)以及冶煉和化學(xué)農(nóng)藥生產(chǎn)等人類活動(dòng)、工業(yè)生產(chǎn)等造成了重金屬水污染[3]。其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示。這是這樣條件的水不適合排放到公共水流或用于灌溉。

2重金屬去除的多種方法

不同的去除方法包括離子交換、正向滲透、膜過(guò)濾、反滲透和吸附。這些方法雖然有效，但仍然有許多缺點(diǎn)，例如高能耗、膜污染、穩(wěn)定性、離子交換樹(shù)脂再生等問(wèn)題[7]。目前還未有許多的相關(guān)證明完全去除廢水中的重金屬。由于鹽的競(jìng)爭(zhēng)作用帶來(lái)的挑戰(zhàn)，擁有一種不漏水的處理溶液以將水中的重金屬含量降低至ppm或ppb級(jí)(特別是對(duì)于毒性更大的重金屬)至關(guān)重要。

2.1離子交換

離子交換定義為兩種電解質(zhì)之間的離子交換，在電解質(zhì)溶液和絡(luò)合物之間發(fā)生的離子交換。在大多數(shù)情況下，離子交換一詞用于代表用固體聚合物或金屬離子交換劑對(duì)含離子水溶液進(jìn)行凈化、分離的過(guò)程。如圖1所示。在離子交換過(guò)程中，外部溶液中的可移動(dòng)離子與被靜電鍵吸附到固體基質(zhì)中官能團(tuán)進(jìn)行離子交換[7]。在離子交換循環(huán)中，將要處理的溶液倒在離子交換樹(shù)脂床上，并使其通過(guò)微孔。當(dāng)溶液流過(guò)離子交換樹(shù)脂時(shí)，離子交換樹(shù)脂的官能團(tuán)將吸引溶液中存在的抗衡離子。這種水處理方法的最大優(yōu)勢(shì)在于，離子交換樹(shù)脂可以再生，因此無(wú)需更換即可重復(fù)使用多年。缺點(diǎn)是某些再生料對(duì)廢水和植物造成污染。例如NaCl，當(dāng)NaCl釋放時(shí)，它在較高濃度下可能會(huì)被腐蝕下游，從而增加了離子交換設(shè)備的維護(hù)成本。

2.2膜過(guò)濾

膜過(guò)濾是一個(gè)統(tǒng)稱，用于描述許多過(guò)程，這些過(guò)程涉及使用不同尺寸的膜來(lái)消除飲用水和工業(yè)廢水中不需要的有機(jī)和非有機(jī)物質(zhì)[9]。膜過(guò)濾過(guò)程包括超濾(UF)、正向滲透(FO)、反滲透(RO)、微濾、電滲析、聚合物支持的超濾(PSU)和納米過(guò)濾[9]。每個(gè)過(guò)程都是獨(dú)特的設(shè)計(jì)，而用于過(guò)濾重金屬的方法以及重金屬的粒徑在此過(guò)程中起著重要作用，因?yàn)樗悄み^(guò)濾過(guò)程的主要決定因素。由于溶解的重金屬的粒徑，更適合使用UF，RO，F(xiàn)O和納濾等膜過(guò)濾方法，從而可以過(guò)濾更細(xì)的顆粒，獲得更有效的結(jié)果。

2.3吸附

吸附被定義為一種表面現(xiàn)象，在該現(xiàn)象中目標(biāo)污染物積聚在固體吸附劑的表面上，從而導(dǎo)致污染物在吸附劑表面的濃度增加[7]。吸附過(guò)程可以通過(guò)許多參數(shù)優(yōu)化，這些參數(shù)包括溫度、pH、吸附物的濃度和性質(zhì)、吸附劑的粒徑以及目標(biāo)溶液中其他污染物的存在[10]。吸附過(guò)程在很大程度上取決于附著力，在這種情況下，可溶物質(zhì)預(yù)計(jì)會(huì)通過(guò)粘附到水中的吸附劑而形成薄層[9]。吸附劑的使用大大降低了水的化學(xué)需氧量(COD)和生化需氧量(BOD)，從而改變了水的顏色，在某些情況下也改變了水的氣味[1]。如果水被多種重金屬、化學(xué)物質(zhì)或有機(jī)溶劑污染，可以利用吸附與其他工藝(例如RO，F(xiàn)O，UF和納濾)結(jié)合使用，可有效去除有害物質(zhì)[9]。盡管運(yùn)行活性炭水處理系統(tǒng)所需的設(shè)備成本很高，但運(yùn)行過(guò)程本身的成本卻相對(duì)較低。該過(guò)程不耗費(fèi)勞力并且不會(huì)產(chǎn)生任何不需要的廢水，因此非常有效[1]。

2.3.1活性炭吸附活性炭由于具有高吸附能力而被廣泛用作吸附劑，已知具有高吸附能力和對(duì)重金屬離子(如Pb2+，Cu2+，Cd2+和Cr4+)的高親和力[3]。在水處理行業(yè)中使用了兩種類型的活性炭已有多年歷史，它們主要是顆粒狀活性炭(GAC)和粉末狀活性炭(PAC)。兩者的效率很大程度上取決于它們的粒徑以及溶液中重金屬的濃度。此外，活性炭的改性被認(rèn)為是增強(qiáng)重金屬去除的最有效和有吸引力的方法之一。這是因?yàn)楦鞣N重金屬離子與不同的表面官能團(tuán)的相互作用不同[10]。Chen等使用檸檬酸對(duì)GAC進(jìn)行表面改性以增強(qiáng)銅的吸附。在他們的研究中，他們使用了活性炭(AC)并用檸檬酸對(duì)其進(jìn)行了改性，以提高AC在銅吸附中的效率。使用檸檬酸對(duì)AC進(jìn)行改性大大改善了AC對(duì)銅離子的吸附，最大吸附容量發(fā)生了顯著變化，從未改性AC的6.14mgCu/g變?yōu)闄幟仕?4.92mgCu/g[4]。活性炭吸附提供最自然的水處理過(guò)程，不含化學(xué)物質(zhì)和其他可能對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)。盡管運(yùn)行AC水處理系統(tǒng)所需的設(shè)備成本很高，但運(yùn)行過(guò)程本身的成本卻相對(duì)較低且可以承受。該過(guò)程不耗費(fèi)勞力，并且不會(huì)產(chǎn)生任何多余的廢水，因此非常高效。配備AC水處理系統(tǒng)的好處之一是，與其他處理方法不同，它只需要反沖洗即可，而無(wú)需使用昂貴的再生水。當(dāng)選擇從水和廢水中去除重金屬的方法時(shí)，重金屬吸附提供了一種非常有吸引力的替代方法[6]。

3結(jié)論

未經(jīng)處理的廢水排放到環(huán)境中會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成威脅。反滲透，電滲析，離子交換，膜過(guò)濾，超濾和正向滲透已被研究并證明可用于廢水處理。吸附也是去除重金屬的最常用方法之一。研究表明，吸附法可以去除工業(yè)廢水中的重金屬，效率高達(dá)99.9%。活性炭(AC)的吸附還受到許多因素的影響，包括AC的粒徑，被吸附物的濃度，吸附劑的表面積和孔徑，重金屬的類型以及要吸收的水量。盡管AC水處理的大規(guī)模運(yùn)行可能很昂貴，但它為從水和廢水中去除重金屬提供了可靠，可持續(xù)和環(huán)保的解決方案。

作者：汪本金 吳朕君 盛夏 趙海亮 單位：河南工業(yè)大學(xué)