工业污水重金属污染处理研究

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[摘要]未经处理排放的工业废水中的重金属可能会对人类健康构成威胁。有很多种不同方法去除工业废水中的重金属，其中使用活性炭吸附法是去除重金属最常用的方法之一。事实证明，活性炭的吸附受许多因素的影响，包括活性炭的粒径，被吸附物的浓度，吸附剂的表面积和孔径，重金属的类型以及要处理的水量。

[关键词]重金属；活性炭；吸附；污水；吸附等温线

重金属是岩石圈中的天然成分，具有许多重要功能并有助于生态系统的正常运行[1]。重金属污染是指自然环境中过量的天然金属和各种工业或人为活动在环境中产生重金属，如Pb，Hg，Cd，Cr，Cu，Ni，Zn和As[2-3]。但微量重金属的存在对人类、动植物的新陈代谢活动至关重要[1,4]。回收用于灌溉目的的废水、土地施用的废水污泥、市政垃圾、工业垃圾、甚至在采矿和农业中使用化学品，这些物质处理不当可以污染水体[5]。另一方面，有机和无机污染物通常随着时间推移而造成生物积累，从而对生活在湿地系统和陆地生物中的生物构成风险[2]。多年来，由于环境中重金属的过量增加和相关的潜在性健康和环境风险，重金属对生态的影响已引起世界监管机构和政府机构的广泛关注[6-7]。在中国这样的快速发展的国家，重金属污染十分严重，如果不加以控制，可能会对公众健康构成威胁[2]。另一方面，重金属是不可生物降解的，当被引入陆地或水生生态系统时，它们只能在食物链中向上累积，因为它们无法被改变或被生物降解为其他危害较小的化合物[7]。重金属的积累导致了生物放大作用，这造成了食物链中重金属污染物的积累[3]，从而导致重要器官生物器官(例如肺，肾等)功能失调[6-7]。

1工业废水中的重金属污染

近年来，由于电镀、电池生产以及冶炼和化学农药生产等人类活动、工业生产等造成了重金属水污染[3]。其统计数据见表1所示。这是这样条件的水不适合排放到公共水流或用于灌溉。

2重金属去除的多种方法

不同的去除方法包括离子交换、正向渗透、膜过滤、反渗透和吸附。这些方法虽然有效，但仍然有许多缺点，例如高能耗、膜污染、稳定性、离子交换树脂再生等问题[7]。目前还未有许多的相关证明完全去除废水中的重金属。由于盐的竞争作用带来的挑战，拥有一种不漏水的处理溶液以将水中的重金属含量降低至ppm或ppb级(特别是对于毒性更大的重金属)至关重要。

2.1离子交换

离子交换定义为两种电解质之间的离子交换，在电解质溶液和络合物之间发生的离子交换。在大多数情况下，离子交换一词用于代表用固体聚合物或金属离子交换剂对含离子水溶液进行净化、分离的过程。如图1所示。在离子交换过程中，外部溶液中的可移动离子与被静电键吸附到固体基质中官能团进行离子交换[7]。在离子交换循环中，将要处理的溶液倒在离子交换树脂床上，并使其通过微孔。当溶液流过离子交换树脂时，离子交换树脂的官能团将吸引溶液中存在的抗衡离子。这种水处理方法的最大优势在于，离子交换树脂可以再生，因此无需更换即可重复使用多年。缺点是某些再生料对废水和植物造成污染。例如NaCl，当NaCl释放时，它在较高浓度下可能会被腐蚀下游，从而增加了离子交换设备的维护成本。

2.2膜过滤

膜过滤是一个统称，用于描述许多过程，这些过程涉及使用不同尺寸的膜来消除饮用水和工业废水中不需要的有机和非有机物质[9]。膜过滤过程包括超滤(UF)、正向渗透(FO)、反渗透(RO)、微滤、电渗析、聚合物支持的超滤(PSU)和纳米过滤[9]。每个过程都是独特的设计，而用于过滤重金属的方法以及重金属的粒径在此过程中起着重要作用，因为它是膜过滤过程的主要决定因素。由于溶解的重金属的粒径，更适合使用UF，RO，FO和纳滤等膜过滤方法，从而可以过滤更细的颗粒，获得更有效的结果。

2.3吸附

吸附被定义为一种表面现象，在该现象中目标污染物积聚在固体吸附剂的表面上，从而导致污染物在吸附剂表面的浓度增加[7]。吸附过程可以通过许多参数优化，这些参数包括温度、pH、吸附物的浓度和性质、吸附剂的粒径以及目标溶液中其他污染物的存在[10]。吸附过程在很大程度上取决于附着力，在这种情况下，可溶物质预计会通过粘附到水中的吸附剂而形成薄层[9]。吸附剂的使用大大降低了水的化学需氧量(COD)和生化需氧量(BOD)，从而改变了水的颜色，在某些情况下也改变了水的气味[1]。如果水被多种重金属、化学物质或有机溶剂污染，可以利用吸附与其他工艺(例如RO，FO，UF和纳滤)结合使用，可有效去除有害物质[9]。尽管运行活性炭水处理系统所需的设备成本很高，但运行过程本身的成本却相对较低。该过程不耗费劳力并且不会产生任何不需要的废水，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广泛用作吸附剂，已知具有高吸附能力和对重金属离子(如Pb2+，Cu2+，Cd2+和Cr4+)的高亲和力[3]。在水处理行业中使用了两种类型的活性炭已有多年历史，它们主要是颗粒状活性炭(GAC)和粉末状活性炭(PAC)。两者的效率很大程度上取决于它们的粒径以及溶液中重金属的浓度。此外，活性炭的改性被认为是增强重金属去除的最有效和有吸引力的方法之一。这是因为各种重金属离子与不同的表面官能团的相互作用不同[10]。Chen等使用柠檬酸对GAC进行表面改性以增强铜的吸附。在他们的研究中，他们使用了活性炭(AC)并用柠檬酸对其进行了改性，以提高AC在铜吸附中的效率。使用柠檬酸对AC进行改性大大改善了AC对铜离子的吸附，最大吸附容量发生了显着变化，从未改性AC的6.14mgCu/g变为柠檬酸14.92mgCu/g[4]。活性炭吸附提供最自然的水处理过程，不含化学物质和其他可能对环境有害的物质。尽管运行AC水处理系统所需的设备成本很高，但运行过程本身的成本却相对较低且可以承受。该过程不耗费劳力，并且不会产生任何多余的废水，因此非常高效。配备AC水处理系统的好处之一是，与其他处理方法不同，它只需要反冲洗即可，而无需使用昂贵的再生水。当选择从水和废水中去除重金属的方法时，重金属吸附提供了一种非常有吸引力的替代方法[6]。

3结论

未经处理的废水排放到环境中会对生态系统和人类健康构成威胁。反渗透，电渗析，离子交换，膜过滤，超滤和正向渗透已被研究并证明可用于废水处理。吸附也是去除重金属的最常用方法之一。研究表明，吸附法可以去除工业废水中的重金属，效率高达99.9%。活性炭(AC)的吸附还受到许多因素的影响，包括AC的粒径，被吸附物的浓度，吸附剂的表面积和孔径，重金属的类型以及要吸收的水量。尽管AC水处理的大规模运行可能很昂贵，但它为从水和废水中去除重金属提供了可靠，可持续和环保的解决方案。

作者：汪本金 吴朕君 盛夏 赵海亮 单位：河南工业大学