废水处理吸附汞的吸附材料研究

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摘要：吸附法是处理重金属废水的一种有效方法。本文综述了碳质材料、矿质材料、高分子材料、生物质材料、磁性纳米材料吸附水体中汞的研究进展,并展望了新型吸附材料应具备的特点和磁性纳米吸附材料在处理水污染中的应用前景。

关键词：汞；吸附材料；废水处理

汞(Hg)是一种有毒的重金属,在环境中有三种主要存在方式:元素汞、无机汞、有机汞。无机汞离子在一定条件下能够转化为毒性较强的有机汞,如甲基汞易穿透生物膜,通过食物链在人体内聚集,其毒性能损害人体器官、免疫系统、中枢系统等。水体中Hg(II)来源于电镀、电池、冶金、皮革、化工等行业,水体汞污染已成为当今世界的一个极具挑战的环境问题。目前,对水体汞污染的处理办法主要包括吸附法[1]、沉淀法[2]、离子交换法[3]、膜分离法[4]、电化学处理技术[5]等。其中吸附法是一种重要的化学物理方法,以其良好的选择性、高效率、稳定性、易再生和重复利用等优点,广泛应用于含汞污水处理。吸附材料表面存在羟基、羧基、氨基、巯基等活性基团,可与金属离子形成离子键、共价键、配位键、氢键等[6],从而达到吸附金属离子的目的。吸附过程在设计和操作上具有灵活性,并且在特定情况下吸附是可逆的,通过适当的工艺可使吸附材料再生[7]。

1各类吸附材料在吸附废水中汞的应用

吸附材料的性质是影响吸附性能最为关键的因素,吸附材料的选择要考虑到比表面积、孔隙构造、表面化学结构与电荷性质、稳定性等因素。

1.1碳质材料

碳质吸附材料主要包括活性炭、碳纳米管、石墨烯等。碳质材料由于比表面积高且含有大量中孔与大孔而被广泛用作吸附材料。然而,未经改性的碳质材料对Hg(II)的去除率并不高,且具有局限性。但其独特的化学性质和多孔结构可进行表面修饰。通常可用增加比表面积、引入表面活性基团和负载活性物质等方法来提高其吸附性能。Xu等[8]通过调整目标碳材料的孔隙结构、石墨化程度、杂原子等,制备了多孔乙炔碳材料(SACM),对Hg(II)的饱和吸附量为157.1mg•g-1,吸附性能优于常规碳材料。Li等[9]在碳材料上接枝烷基基团合成了一系列烷基功能化碳材料(ACMs),由于烷基化基团与Hg(II)间存在强烈的相互作用(软碱与软酸络合),ACMs对Hg(II)有很强的吸附能力。在相同实验条件下,多卤代芳烃的吸附性能较卤代烃好,且比表面积越大,吸附量越大。其中ACM-5吸附性能最好,其饱和吸附量可达到191.2mg•g-1。

1.2矿质材料

常见的矿质材料包括海泡石、硅胶、沸石、黏土、膨润土等,由于材料来源广泛、价格低廉、环境友好而受到关注。矿质材料因具有可交换的阳离子、表面负电荷、表面活性羟基、较大的比表面积和孔道结构等特点,可用于重金属离子吸附。矿质材料用于吸附时,一般也需要加工和改性来提高吸附性能。王思阳等[10]以煤矸石为原料合成了X型沸石,在最佳吸附条件下,其最大吸附量为149mg•g-1,Hg去除率达到99.1%,且X型沸石对Hg(II)的吸附量约为煤矸石的4倍,说明合成的X型沸石吸附性能良好。

1.3高分子材料

吸附性高分子材料分为天然和人工合成的高分子材料。常见的天然高分子吸附材料有壳聚糖、纤维素、海藻酸盐等;人工合成的高分子吸附材料有离子交换树脂、螯合树脂等。Xu等[11]合成了一种富硫微孔聚合物(SMP),该聚合物对Hg(II)具有较强的亲和力,吸附量可达595.2mg•g-1,可将Hg(II)浓度从200μg•L-1降低到可接受的饮用水水平,展示了其在废水处理中的应用潜力。

1.4生物质材料

生物质材料包括藻类、菌类、农林废弃物以及生物质提取物等,具有成本低、污染小、来源广泛、可再生等特点。Li等[12]成功合成了新型纤维素基荧光生物吸附材料,用于水中Hg(II)的检测与吸附,测得该吸附材料对Hg(II)的最大吸附量为143.88mg•g-1,检出限为84μg•L-1。Foroutan等[13]以蛋壳废弃物为原料制备纳米颗粒吸附材料,对Hg(II)的最大吸附量为116.27mg•g-1,该吸附材料使用7次后,吸附效率仅降低10%。与其它吸附材料相比较,生物质材料具有成本低、二次污染少等优点。

1.5磁性纳米材料

磁性纳米粒子(MNPs)作为固相吸附材料,具有强磁性、高比表面积、耐久性和低毒性等优点,是一种高容量、高效率的吸附材料,含铁氧化物(Fe3O4)颗粒以其低成本、低毒、环保等优点[14],成为目前最受欢迎的磁性材料。在复杂的环境条件下,裸露的磁性Fe3O4颗粒易团聚,其磁性可能发生改变。但由于其颗粒表面有羟基存在,因此具有表面改性的能力,为了提高超顺磁性Fe3O4纳米粒子的稳定性与生物相容性,常采用表面活性剂或聚合物进行表面改性,使其表面附着不同功能的多种表面官能团。当某些官能团与磁性纳米粒子结合时,可以增强其对目标金属的亲和力,从而更好地从废水中去除或回收金属离子。该材料的另一个显著优点是,在吸附完成后,吸附材料可通过简单的磁性工艺从介质中分离出来。Fatemeh等[15]研究了硫醇功能化的Fe3O4磁性纳米粒子(TF-MNPs)对水中Hg(II)的去除效果,该材料的最大吸附量为344.82mg•g-1。结果表明,TF-MNPs能有效地去除水体中的Hg(II),并且TF-MNPs可通过磁选的方法提高对Hg(II)的吸附能力。Shen等[16]制备了半胱氨酸功能化的Fe3O4磁性纳米粒子,在最佳条件下,Hg(II)的去除率高达95%,最大吸附量为380mg•mol-1。此外,该吸附材料在醋酸浓度为1.0mol•L-1条件下可再生95%,是一种很有应用前景的吸附材料。

2展望

近些年,对水体中汞的吸附材料的研究已取得了一定的成果。当前应该解决的问题是,开发高效、无毒、经济、易分离的吸附材料,同时吸附材料的再生和二次污染也应当是着重考虑的问题。磁性纳米材料特别是磁性Fe3O4,可使用聚合物或无机材料来赋予其表面活性,使其表面功能化,从而从复杂环境中有选择地去除目标污染物。另外,磁性纳米材料具有较大的表面积和独特的磁性,而磁分离似乎是克服吸附材料在吸附过程中与溶液分离能力缺乏,及二次污染限制的最佳方法,是一种非常有应用前景的吸附材料。在未来的研究中,需要更多的尝试扩大这类材料的实际应用。

作者：吴小琼 殷平 徐强 刘希光 徐彦宾 杨正龙 孙文娟 单位：鲁东大学