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]。回收用于灌溉目的的廢水、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，由于環(huán)境中重金屬的過量增加和相關(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，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、離子交換樹脂再生等問題[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、分離的過程。如圖1所示。在離子交換過程中，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脂床上，并使其通過微孔。當(dāng)溶液流過離子交換樹脂時(shí)，離子交換樹脂的官能團(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，離子交換樹脂可以再生，因此無需更換即可重復(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膜過濾

膜過濾是一個(gè)統(tǒng)稱，用于描述許多過程，這些過程涉及使用不同尺寸的膜來消除飲用水和工業(yè)廢水中不需要的有機(jī)和非有機(jī)物質(zhì)[9]。膜過濾過程包括超濾(UF)、正向滲透(FO)、反滲透(RO)、微濾、電滲析、聚合物支持的超濾(PSU)和納米過濾[9]。每個(gè)過程都是獨(dú)特的設(shè)計(jì)，而用于過濾重金屬的方法以及重金屬的粒徑在此過程中起著重要作用，因?yàn)樗悄み^濾過程的主要決定因素。由于溶解的重金屬的粒徑，更適合使用UF，RO，F(xiàn)O和納濾等膜過濾方法，從而可以過濾更細(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]。吸附過程可以通過許多參數(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)行過程本身的成本卻相對(duì)較低。該過程不耗費(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)行過程本身的成本卻相對(duì)較低且可以承受。該過程不耗費(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%?；钚蕴?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)