对载有纳米颗粒的离子交换树脂去除水中的重金属的概述

刘雁滨，张凡

1石家庄市桥东污水治理工程筹建处；2河北昊源环境工程有限公司

对载有纳米颗粒的离子交换树脂去除水中的重金属的概述

刘雁滨1，张凡2

1石家庄市桥东污水治理工程筹建处；2河北昊源环境工程有限公司

近年来由于与金属电镀设备等相关行业的迅速发展，使得重金属污染成为当前急需解决的环境问题。水中重金属包括铅、铜、铁、锰、镍、锌、铬、镉、汞、铝等金属。处理重金属的方法也有很多，如化学沉淀技术、膜技术、吸附技术、离子交换技术等。本文是对广泛使用的离子交换技术各种方法的概述。包括螯合树脂、氧化还原树脂、两性树脂对重金属去除的优势的概述。

纳米颗粒；重金属；离子交换

1 引言

1.1 水中的重金属

水是维持生命的重要资源，同时水也不是无限度使用的，其地下水只占总水量资源的0.6%。重金属元素的原子重量在63.5和200.6之间，其比重大于5.0。与金属电镀设备等行业的快速发展，采矿作业、肥料行业、制革厂、电池、纸工业和农药厂等等，越来越多的重金属废水直接或间接的排入环境，尤其在发展中国家。重金属进入到人体内通过食物、水、空气和皮肤接触当人们进行农业、工业或者在日常生活中，与有机污染不同，重金属不能被生物降解，倾向于积累在生物中。当其不能由人体代谢并且会积累到人体的软组织时，重金属就会变得有毒性。重金属污染，即使是微量水平也会被认为是人类的风险。由于其较高的毒性使得去除废水和饮用水中的重金属有重大意义。Pb2+、Cu2+、Fe3+、Mn2+、Ni2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、Al3+和Cr3+尤其常见的金属，往往积聚在生物，引起多种疾病。

1.2 各类重金属的危害

1.2.1 铅

铅是归类为危险品和铅中毒会导致许多疾病,铅可以引起中枢神经系统损害，铅还可以损害肾脏、肝脏和生殖系统，基本的细胞能损坏其大脑功能。如高血压、肾炎、发展缺陷、语言障碍、毒症状贫血、失眠、头痛、头晕、易怒、肌肉薄弱、幻觉和肾损害。

1.2.2 镉

镉离子也被认为是极其毒性的金属离子当它的浓度超过0.01mg/L时，这是人类许可的最大镉离子范围。镉被美国机密环境保护署作为人类致癌物，对人体健康又严重风险，慢性接触镉导致肾脏功能障碍和高水平的接触会导致死亡。

1.2.3 铜

铜离子在今天被广泛的应用，并且被认为是人类身体不可缺少的重要元素。然而，像很多其他的重金属一样，当它在一定的浓度范围内，对人类有潜在的毒性。很多疾病都是来源于人体内存在的铜元素，例如呕吐、痉挛、抽搐、肾功能衰竭和肺癌的形成就是体内铜元素起到了很大的作用。

1.2.4 锌

锌是人体健康所必须的痕量元素，对于活的组织的生理功能和调节许多生化过程有很重要的作用。然而，过多的锌也会产生健康问题，如胃痉挛、皮肤过敏、呕吐、恶心和贫血。

1.2.5 镍

镍超过其临界水平可能带来严重的肺和肾脏问题，除了胃肠不适，多元肺病外，还会产生皮肤纤维化和皮炎。并且众所周知，镍是人体致癌剂。

1.2.6 汞

汞是一种神经毒素，破坏神经中枢系统。高浓度的贡引起肺和肾脏功能受损、胸痛和呼吸困难。汞中毒的典型例子是水俣湾。

1.2.7 铬

在水生环境中存在的铬主要有两种形式。通常，铬（Ⅵ）通常要比铬（Ⅲ）的毒性大，铬（Ⅵ）影响人体生理学，食物链积累导致严重的健康问题，从简单的皮肤刺激到肺部肿瘤。

1.3 除重金属的方法

如何有效地从水系统中并且深入的去除重金属对环境工程技术仍然是具有挑战性的任务。如今对重金属的高效去除提出了很多有效的办法，包括但不限于化学沉淀、离子交换、吸附、膜过滤和电化学技术。

1.3.1 化学沉淀

化学沉淀广泛应用在工业制造中，因为相对简单的操作和廉价的成本。在沉淀过程中，与金属离子形成不可溶解的沉淀。可以用沉积和过滤的方法将沉淀从水中分离出来。处理后的水可以轻轻倒出适当排放或者再次利用。传统的化学沉淀包括氢氧化物沉淀和硫化物沉淀。

1.3.2 离子交换技术

离子交换过程广泛应用于去除废水中的重金属离子，能有效的从溶液或者固相中使得离子交换树脂直接与重金属接触来恢复重金属种类的方法。离子交换有很多好处，例如较高的处理量、易再生操作、较高的去除效率和快速动力学。此外，它也可以被分为阳离子交换树脂、阴离子交换树脂和螯合树脂交换。根据不同的官能团，离子交换树脂可以妥善的处理一些重金属如铜、镍、钴、镉、锌和铝。在离子交换系统中，聚合物树脂的使用较为普遍。

1.3.3 膜技术

膜技术是近年来兴起的深度净化技术，使用膜技术取代现有的工业过程的分离和净化可以减少成本和降低整体消耗的能量，现有的膜技术包括超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）。

2 离子交换树脂分类

离子交换树脂拥有各种不同类型的交换，其材料可以分为天然树脂和合成树脂。此外，按照功能基团可以分为阳离子交换树脂、阴离子交换树脂、氧化还原树脂、两性树脂以及螯合树脂。根据不同的官能基团，可以处理一些重金属如铬、镍、钴、镉、锌和铝。

2.1 螯合树脂

尽管离子交换树脂可以去除金属离子的毒性，但是螯合树脂因其自身的选择性更容易进行离子交换。螯合树脂在因为其易操作性、相对较低的成本、和可以在相对较低的浓度下有效的去除重金属离子。一些研究者通过聚合单体如丙烯酸、甲基丙烯酸、烯丙基硫脲等来合成复杂的传统的螯合吸附剂，然后使之与低分子量反应形成螯合树脂。改性天然聚合物基质的功能化反应也被应用于创建一个螯合树脂。

2.2 两性树脂

去除痕量重金属可以通过选择性离子交换过程，Lewatit CNP80（弱酸性）和Lewatit TP207（弱酸性螯合剂）由于树脂具有较高的树脂容量和较快的吸附动力学，例如去除铅、铜、锌、镍等离子。通过控制部分中和的两性离子交换树脂改善金属分。用Amberlite IR-120树脂去除镍、锌。

3 结论

目前的研究表明，广泛应用的离子交换树脂中螯合树脂的应用最为广泛，其发展前景也最为可观。不同的螯合剂对重金属离子的去除和环境行为有着不同的效果。总之，有很多研究关于去除重金属的离子交换树脂。通过不同的离子交换树脂在水生环境中也有很多局限性需要考虑，需要进一步对这种材料和技术进行研究和探索。