污水中重金属的吸附技术与研究进展

邢广成（沈阳航空航天大学能源与环境学院,沈阳110000）

污水中重金属的吸附技术与研究进展

邢广成
（沈阳航空航天大学能源与环境学院,沈阳110000）

摘要：本文首先讲述了污水中重金属的主要吸附方法，将整个吸附剂划分为物理吸附、化学吸附和物理化学吸附。并就各吸附类型详尽介绍了发生相关反应的条件和原理。然后逐一介绍了化学吸附的适用的吸附剂，同时介绍了化学吸附所运用的表面络合模型和固溶体模型，对化学吸附进行详细的分析。最后介绍国内外最新的重金属吸附的研究现状。

关键词：重金属；吸附；表面络合；固溶体

1引言

在过去几十年中,使用重金属日益增加,不可避免地导致水环境中金属物质的含量升。这些重金属由于不能降解且保留下来而引起特别的重视。其其中最重要的技术有化学沉淀法、电子漂浮法、离子交换法、反向渗透和活性碳吸附法。

目前,研究较多的吸附重金属的方法有（1）物理吸附法；（2）化学吸附法；（3）物理化学吸附法等。考虑到老化反应和新矿物形成的影响通过表面络合污染物的释放，表面沉淀，溶解/沉淀反应，我们结合考虑所有这些化学反应水的络合。

2吸附研究

2.1物理吸附

活性炭在实践中主要是水处理吸附剂，石墨表面发达的活性碳供应的吸附位点吸附重金属。重金属吸附材料一直被认为主要发生在酸性官能团如羧基和内酯基团。石墨烯层和含氧官能团中发挥重要重金属的吸附作用。重金属吸附发生在相同的吸附位点。活性炭吸附动力学研究表明，发现活性炭表面上是存在至少有两个不同的强与弱的亲和金属的吸附位点；一是羧酸和内酯基团，二是一些弱的酚。

2.2化学吸附

2.2.1̓胶体吸附

胶体具有良好的吸附阴阳离子的能力,以铁氧化物为主要吸附成分的吸附剂的开发研制和应用已经得到了国内外的关注.在处理含有大量重金属的污水的中，运用比较成熟的技术是沉淀技术、胶体吸附技术与共沉淀技术，研究表明：氢氧化铁、氢氧化铝和氢氧化锰胶体对其它重金属有强烈的吸附作用。因此，氢氧化铁、氢氧化铝和氢氧化锰胶体对重金属的吸附与共沉淀作用技术能够有效地降低重金属的浓度甚至完全移除污水中的重金属。

2.2.2̓碳酸钙吸附

城市固体废弃物焚烧飞灰的飞灰水洗液的碳酸化技术是近几年来提出处理污水的新型技术。城市固体废弃物焚烧飞灰水洗液的碳酸化技术将污水中重金属稳定化重使废液中所含的重金属浸出率降低。碳酸化技术可以大大降低污水的毒性。

模拟过程中模型

2.2.3̓表面络合模型

氢氧化铁和氢氧化铝对于重金属具有很好的吸附性，因此，共沉淀和吸附技术可有效地降低废水中重金属的浓度或甚至完全除去某些重金属。表面络合模型（SCM）和表面沉淀模型（SPM），它们已被广泛应用到各种表面，如纯金属（铝，硅，锰和铁）的氢氧化物，碳酸盐。表面络合模型（SCM）在过去已经研究了重金属吸附到铁氧化物和羟基氧化物的研究。双层模型（DLM）指出，在固体和水相之间的边界层的表面，独立的表面电荷，增加阴离子浓度中的扩散层，因为静电力的存在。与此相反的恒定电容模型（CCM），所述电势不改变向上，从相边界一定距离，而不是立即以线性的方式下降。Dzombak和Morel（1990年）已经得到一个全面的数据库，应用于铁矿对重金属的吸附与适合许多双层吸附的模型。因此，该双电荷层模型已成为事实上在自然环境中的重金属吸附建模的标准，该数据库包含与PHREEQC包含热力学数据为衍生名为“HFO”（水合氧化铁）的一个漫双层表面（Dzombak和Morel1990年）。其中表面络合反应的铁矿的双层模型（DLM）。扩散双层的充电表面立即开始，并且表面电位直接连接到经由所述电容的表面电荷，所述的Gouy-Chapman双层方程被用于限定的表面电位作为表面电荷和离子强度的函数。双层模型被应用在许多计算机代码中，诸如MINTEQ，PHREEQC。

在最近几年中，碳酸化技术[47]是最近提出的关于废水的处理中的一项新技术。在以前的工作中在单一吸附剂系统中砷酸的吸附，PokrovskyandSchott的恒定电容模型（CCM）给出重金属在方解石表面给出的参数。模拟二进制吸附系统，是通过组合两个单吸附剂的CCM模型模拟方解石吸附砷酸。在CCM模式不是在PHREEQC直接可用的，但是由于该系统的表面电位低，所以能够修改模型在PHREEQC的应用，得到一个CCM等效模型。该模型为砷酸是基于对“强＞Ca”和“弱＞Ca”位点，总“＞Ca”位置密度为8.22lmol/平方米（等于“＞CO3”位点密度）的组合。

固溶体对于于清除从水中重金属和用于限制重金属在环境中的移动性有很重要的作用。对于固溶矿物形成的计算，在结合位点的混合模型（代元素可以取代仅在晶体结构中的某些位点的某些元素）可以通过方解石用于移除溶液中痕量的重金属元素。重金属与方解石的共沉淀可以结合PHREEQC的“固体溶液”选项建模。

2.3物理化学吸附

离子交换树脂法，利用离子交换剂中的可交换基团与溶液中各种离子间的离子交换能力的不同来进行分离的一种方法。离子交换技术在富集和分离微量或痕量元素方面应用很广.例如分离水中的锂离子、锰离子、铜离子、铁离子、锌离子等多种金属离子。

3国内外主要研究进展

GiehyeonLee等人研究表明[1]：铁，铝，锰形成的不定形氧化物的饱和水合物具有良好的吸附作用。含有铁铝锰的不定形氧化物的饱和水合物的样品对含有铅铜锌的溶液具有十分理想共沉淀作用。RussellJ.Crawford、IanH.Hardinget等人的研究中表明[2]：胶体的吸附吉布斯自由能绝对值越大，吸附效果越好。胶体的介电常数越大，对金属自由离子的吸附或沉淀效果越好；胶体的介电常数越小，对金属离子对应的络合物吸附或沉淀效果越好。胶体的表面积对吸附效果的影响效果较小。等电点对吸附的等温线的PH的变化范围影响很大。C_Namasivaym,等人的研究中表明[3]：Fe(OH)3胶体吸附对溶液中重金属的影响主要由金属离子初始浓度、搅拌时间、反应时的温度和溶液此时的pH值决定。吸附等温线方程可以准确地用拉格缪尔和弗路恩德里奇等温方程来描述。ojtechEttler等的研究表明：碳酸钙沉淀（calciteprecipitation）对Mg，Fe，Mn，Ba具有较好的移除效果。对As，Ni，Se的移除效果不佳。因为研究的浸出液中Cd，Cu，Pb，Zn的含量很少，所以没有观察到对这几种重金属的移除效果。michaeloschwarts等的研究表明：碳酸钙与重金属生成的共沉淀法对与去除溶液中的镉，铜，锰，铅，锌等重金属离子具有比较理想的移除效果。L.Z.Lakshtanov,S.L.S.Stipp.研究表明: 和CaCO3能生成共沉淀。得出了碳酸钙与镍所形成的共沉淀的反应机理以及所需的分配系数。

4结论

吸附分为物理吸附、化学吸附和物理化学吸附。化学吸附别广泛用于各种重金属的吸附应用中。胶体吸附是目前研究最多的吸附，吸附效果好。

表面络合模型（SCM）和表面析出模型（SPM），已被广泛适用于各种表面，如纯金属（Al，Si，Mn，Fe）的氢氧化物和碳酸盐，硫化物。

关于方解石的吸收性能尤其是二价阳离子的结合倾向，除了实验研究分区固体和溶液之间的行为，有效方法已被开发用于模拟固体溶液形成，利用参数来描述固溶体的形成的方程。

参考文献：

[1]GiehyeonLeea,*,JerryM.Bighamb,etal.RemovaloftracemetalsbycoprecipitationwithFe,AlandMnfromnaturalwaterscontaminatedwithacidminedrainageintheDucktownMiningDistrict,Tennessee[J].AppliedGeochemistry17(2002)569-581.

[2]RussellJ.Crawford,IanH.Harding.Adsorptionandcorprecipitationofsingleheavymetalionsontothehydratedoxidesofironandchromium[J].Langmuir1993,9,3050-3056.

[3]C_Namasivaym,等.用“废物”氢氧化铁(Ⅲ)/铬(Ⅲ)的吸附去除污水中的镉.地质科学译丛，1997(06).

作者简介：邢广成(1988-)，男，硕士研究生，主要从事：固体废弃物处理的研究工作。