吸附法处理重金属废水研究进展(1)

收稿日期:2009-11-21基金项目:国家自然科学基金项目(20867003);云南省学术技术带头人培养基金项目(2008py010);昆明理工大学引进人才基金项目(KKZ3200822027)作者简介:邹照华(1981-),女,硕士研究生。研究方向:介孔材料对重金属离子的吸附。吸附法处理重金属废水研究进展

ProgressofResearchonTreatmentofHeavyMetalWastewaterbyAdsorption

邹照华1󰀁何素芳2󰀁韩彩芸1󰀁张六一1󰀁罗永明1

(1.昆明理工大学环境科学与工程学院󰀁昆明󰀁650093);

(2.昆明理工大学分析测试中心󰀁昆明󰀁650093)

󰀁󰀁摘要󰀁对吸附法处理重金属废水的研究进展进行了综述,包括吸附机理、影响吸附的相关因素和常用吸附剂及其应

用,同时展望了吸附法处理重金属废水的发展方向。

关键词󰀁重金属离子󰀁吸附󰀁吸附剂󰀁废水处理

Abstract󰀁Adsorptionusedfordealingwithheavymetalwastewaterissummarizedinthispaper.Adsorptionmechanism,theinflu󰀁

encefactorsandthecommonlyusedadsorbentsareincluded.Thedevelopingtrendofheavymetalremovaltechnologybyadsorptionfor

wastewaterisviewedsimultaneityinthispaper.

Keywords󰀁HeavyMetalIon󰀁Adsorption󰀁Adsorbent󰀁WastewaterTreatment

󰀁󰀁中国水资源总量居世界第6位,但人均水量

约为世界人均水量的1󰀁4,是水资源严重不足的国

家之一,到2010年总缺口将达到1140亿t󰀂1 。目

前,随着工业生产和城市现代化水平发展,废水大

量排放,水源中重金属积累加剧,重金属污染严

重。因此有效地去除废水中的重金属已成为当前

的迫切任务。近年来,由于吸附法处理重金属废

水具有高效、经济、简便、选择性好等优点已引起

环保界的广泛关注。本文综述了吸附法的吸附机

理,影响吸附的相关因素和常用吸附剂及其在重

金属废水处理中的应用。

1󰀁吸附机理及分类

吸附法是利用多孔性固体吸附剂来处理废水

的方法。根据吸附剂和吸附质之间发生吸附时作

用力性质的不同,可将吸附分为3类!物理吸附

(由分子间作用力而产生的吸附)、化学吸附(由化

学键力引起的吸附)和交换吸附(溶质的离子由于

静电引力而聚集在吸附剂表面的带电点上并置换

出原先固定在这些带电点上的其他离子)。2󰀁影响吸附的相关因素

2.1󰀁pH值

pH值是影响吸附作用的最主要因素。A.

Walcarius制备了3种新型吸附材料K40-SH,MPS

-15%和MPS-40%。在pH0.5~8范围内研究对

Hg(II)的吸附。结果表明:Hg(II)的去除在很大程

度上受pH值影响,尤其在酸性介质中。pH4~7

时,3种材料对Hg(II)的吸附达到最大。此时,K40

-SH,MPS-15%和MPS-40%对Hg(II)的最大吸

附量分别为1.02,1.50和3.38mmol󰀁g。当pH值降

低时,最大吸附量也随之降低。pH值从4降低到

1时,K40-SH,MPS-15%和MPS-40%对Hg(II)

最大吸附量的降低程度分别为50%、30%和

40%󰀂2 。

2.2󰀁吸附剂用量

吸附剂用量对吸附效果的影响也比较明显。

李爱阳和蔡玲等在pH=6的条件下,复合吸附剂

麦饭石!壳聚糖的投加量分别为1󰀂0,2󰀂0,3󰀂0,

4󰀂0,5󰀂0和6󰀂0g󰀁L时,测定投加量对Zn2+吸附率的

影响。结果指出:随着复合吸附剂投加量的增加,!22!环境保护科学󰀁第36卷󰀁第3期󰀁2010年6月Zn2+的吸附率呈上升趋势。投加量为1󰀂0~4󰀂0g󰀁L

时,吸附率变化较快;当投加量大于4.0g󰀁L后,吸

附率增加缓慢󰀂3 。

2.3󰀁接触时间

B.Bayat用Afsin-Elbistan和Seyitomer两种土

耳其飞灰吸附Cd(II)。研究证明:在最初的30min

里,Cd(II)的去除率快速增长,约93.5%被Afsin-

Elbistan去除,65%被Seyitomer去除。随后,Cd(II)

的去除率增长缓慢,2h后吸附达到平衡󰀂4 。罗道

成等也研究了时间对重金属离子去除率的影响,

随着吸附时间的增长,重金属的去除率增大,当吸

附时间超过6h后,吸附量随时间的延长增长缓

慢󰀂5 。

2.4󰀁金属离子的初始浓度

J.Choi用复合吸附剂Mg󰀁AI-LDH去除水中

的Cu2+和Pb2+。结果指出:Mg󰀁AI-LDH对Cu2+

和Pb2+的去除率均随二者初始浓度的增加而增

加,且呈线性增长󰀂6 。用膨润土吸附溶液中的

Cu2+,吸附量同样随Cu2+初始浓度的增加而增加,

但在较高浓度时,吸附量的增加比较缓慢󰀂7 。

2.5󰀁吸附温度

单宝田等研究了温度变化时,沸石对Cu(HN3)2+4

的吸附。当温度较低时,随温度升高,吸附量增

加;当温度达到一定时,温度升高,吸附量反而下

降。这是因为沸石对Cu(HN3)2+4的吸附过程中,

既有交换吸附又有物理吸附。其中交换吸附随温

度升高离子交换能力增强,而物理吸附随温度升

高吸附能力反而下降󰀂8 。

3󰀁常用吸附剂及其在重金属废水处理中的

应用

3.1󰀁活性炭

活性炭是一种非极性吸附剂。与其他吸附剂

相比,活性炭具有大的比表面积和特别发达的微

孔。通常活性炭的比表面积高达500~1700m2󰀁g。

在活性炭中,微孔容积约为0.15~0.9mL󰀁g,表面

积占总面积的95%以上。目前,用活性炭去除废

水中重金属的研究报道较多。Huang等用粉体活

性炭探讨对Hg2+的吸附,得出在pH为4.0~5.0

时,可有效吸附浓度为0.2mmol󰀁L的Hg2+99%以

上󰀂9 。经表面化学修饰的颗粒活性炭,可明显提

高对金属离子的吸附。D.Aggarwal等用HNO3氧化颗粒活性炭,可使Cr3+的吸附量提高3倍以上。

在pH为5.0~6.0时,Cr3+的最大吸附量高达

146mg󰀁g。这是因为氧化后活性炭表面生成了含羧

基结构的功能基团,对阳离子的静电吸附作用明

显增强󰀂10 。

3.2󰀁膨润土

膨润土是以蒙脱石为主要矿物的粘土岩。蒙

脱石是含水的层状铝硅酸盐矿物,由两个硅氧四

面体层中间夹一个铝(镁)氧(氢氧)八面体层组

织,属2:l型的三层粘土矿物。粘土矿物形成过程

中,常会发生同晶替代,晶体结构层间存在过剩负

电荷,能静电吸附阳离子而保持电中性。此外,膨

润土有巨大的表面积,因而具有巨大的吸附能力。

A.Kapoor将膨润土制成表面积为200m2󰀁g的球状

珠粒,在pH为4.5~6.9时,对Cd2+和Cu2+进行吸

附,最大吸附量分别为23.81mg󰀁g和13.15mg󰀁g󰀂11 。

近年来,对改性膨润土的研究已成为热门课题之

一。通过酸、氧化剂、无机盐等对膨润土进行改

性,可明显改善其对重金属离子的吸附。R.Nas󰀁

eem等将膨润土经150~200∀活化后,对Pb2+的

去除率达96%以上󰀂12 。朱利中等用季铵盐阳离子

(CTMA)和有机螯合剂(Am)复合改性膨润土

(IMB),制得螯合剂柱撑膨润土IMB-CTMA-Am。

同时研究对Pb󰀂2+ 的吸附。结果表明:IMB-CTMA

-Am可有效去除Pb2+󰀂13 。

3.3󰀁沸石

沸石是由(Si,A1)O4四面体组成的框架构造,

其空间网架结构中充满了空腔与孔道,具有较大

的开放性和巨大的内表面积,孔中有可交换的碱、

碱土金属阳离子和中性水分子,因而具有良好的

选择吸附和离子交换功能。目前,在重金属废水

处理中应用最多的是斜发沸石。E.Alvarez研究了

斜发沸石对Cr3+,Ni2+,Zn2+,Cu2+和Cd2+的吸附。

研究发现:Langmuir模型适合所有的金属离子,沸石

对Cr3+、Ni2+、Zn2+、Cu2+和Cd2+的最大吸附量分别

为0.079,0.034,0.053,0.093和0.041mmol󰀁g󰀂14 。

S.Myroslav用斜发沸石对Pb2+、Cu2+、Ni2+和Cd2+

进行选择性吸附。结果表明:对Cd2+的最大吸附

量为4.22mg󰀁g;对Pb2+、Cu2+、Ni2+的最大吸附量

分别为27.7,25.76和13.03mg󰀁g󰀂15 。

3.4󰀁壳聚糖

壳聚糖是甲壳素的重要衍生物。壳聚糖分子!23!󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁吸附法处理重金属废水研究进展󰀁邹照华中含有许多氨基和羟基,可与大多数过渡金属离

子形成稳定的螯合物,因此壳聚糖对Mn2+、Cu2+、

Pb2+、Cd2+、Zn2+、Ni2+和Ag+等金属离子都有很强

的去除能力。S.Mckay评估了壳聚糖对Hg+、

Cd2+、Mn2+和Zn2+的吸附,各自的最大吸附量分别

为815、222、164和75mg󰀁g󰀂16 。M.S.Masri等将壳

聚糖与树皮、活化泥、聚乙烯和其它吸附材料进行

对比,结果表明:壳聚糖有极强的络合能力,对大

多数金属离子(Cr除外)的吸附量能达到1mmol金

属󰀁g。对除汞外的所有金属而言,壳聚糖的吸附量

比离子交换树脂还要高,但价格比离子交换树脂

低得多󰀂17 。为了提高壳聚糖在废水酸碱介质中的

稳定性和对金属离子的选择吸附,近年来,对改性

壳聚糖的研究大量涌现。G.L.Rorrer等将球形壳

聚糖与戊二醛交联,与磁性元素结合后具有一定

的磁性,同时它的表面积比壳聚糖薄片大100倍。

研究得出:该壳聚糖对Cd2+的最大吸附量为

518mg󰀁g󰀂18 。

3.5󰀁生物吸附剂

凡具有从溶液中分离重金属能力的生物体及

其衍生物统称为生物吸附剂。生物吸附剂主要是

菌体、藻类及一些细胞提取物。B.Petr用白腐菌

P.chrysosporium吸附重金属,对Cd2+、Cu2+、Hg2+、

Ni2+和Pb2+的最大吸附量分别为110、60、61、56和

108mg󰀁g,而且不同菌株的白腐菌对不同的重金属

吸附量不一样,由此可选择不同的白腐菌菌株处

理含不同重金属的废水󰀂19 。B.Volesky等用海藻

Ascophyllum-nodosum进行了吸附柱去除镉的研

究,镉含量从10mg󰀁L降低到1.5ng󰀁mL时,去除率

达99.98%󰀂20 。

3.6󰀁工农业废弃物

工业废弃物如燃煤电厂排放的粉煤灰、工业

污泥、肥料业产生的Fe(OH)3等都可用来处理重

金属废水,其中研究较多的是粉煤灰。K.K.Pan󰀁

day用粉煤灰处理含Cu2+、Zn2+的废水,去除率分

别为100%和93%󰀂21 。G.Steenbruggen用粉煤灰合

成沸石,通过沸石化过程,阳离子交换容量从

0.02mg󰀁L增加到2.4mg󰀁L󰀂22 。

农业废弃物,如米糠、稻壳、麸皮、谷壳、树皮、

花生壳等均可有效地去除重金属离子。U.Kumar

发现用不同方法处理的稻壳对Cd2+的吸附能力不

同:用水、NaOH和NaHCO3浸泡后对Cd2+的最大吸附量分别为8.58、20.24和16.18mg󰀁g󰀂23 。W.L