廢水處理吸附汞的吸附材料研究

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摘要：吸附法是處理重金屬廢水的一種有效方法。本文綜述了碳質材料、礦質材料、高分子材料、生物質材料、磁性納米材料吸附水體中汞的研究進展,并展望了新型吸附材料應具備的特點和磁性納米吸附材料在處理水污染中的應用前景。

關鍵詞：汞；吸附材料；廢水處理

汞(Hg)是一種有毒的重金屬,在環境中有三種主要存在方式:元素汞、無機汞、有機汞。無機汞離子在一定條件下能夠轉化為毒性較強的有機汞,如甲基汞易穿透生物膜,通過食物鏈在人體內聚集,其毒性能損害人體器官、免疫系統、中樞系統等。水體中Hg(II)來源于電鍍、電池、冶金、皮革、化工等行業,水體汞污染已成為當今世界的一個極具挑戰的環境問題。目前,對水體汞污染的處理辦法主要包括吸附法[1]、沉淀法[2]、離子交換法[3]、膜分離法[4]、電化學處理技術[5]等。其中吸附法是一種重要的化學物理方法,以其良好的選擇性、高效率、穩定性、易再生和重復利用等優點,廣泛應用于含汞污水處理。吸附材料表面存在羥基、羧基、氨基、巰基等活性基團,可與金屬離子形成離子鍵、共價鍵、配位鍵、氫鍵等[6],從而達到吸附金屬離子的目的。吸附過程在設計和操作上具有靈活性,并且在特定情況下吸附是可逆的,通過適當的工藝可使吸附材料再生[7]。

1各類吸附材料在吸附廢水中汞的應用

吸附材料的性質是影響吸附性能最為關鍵的因素,吸附材料的選擇要考慮到比表面積、孔隙構造、表面化學結構與電荷性質、穩定性等因素。

1.1碳質材料

碳質吸附材料主要包括活性炭、碳納米管、石墨烯等。碳質材料由于比表面積高且含有大量中孔與大孔而被廣泛用作吸附材料。然而,未經改性的碳質材料對Hg(II)的去除率并不高,且具有局限性。但其獨特的化學性質和多孔結構可進行表面修飾。通常可用增加比表面積、引入表面活性基團和負載活性物質等方法來提高其吸附性能。Xu等[8]通過調整目標碳材料的孔隙結構、石墨化程度、雜原子等,制備了多孔乙炔碳材料(SACM),對Hg(II)的飽和吸附量為157.1mg•g-1,吸附性能優于常規碳材料。Li等[9]在碳材料上接枝烷基基團合成了一系列烷基功能化碳材料(ACMs),由于烷基化基團與Hg(II)間存在強烈的相互作用(軟堿與軟酸絡合),ACMs對Hg(II)有很強的吸附能力。在相同實驗條件下,多鹵代芳烴的吸附性能較鹵代烴好,且比表面積越大,吸附量越大。其中ACM-5吸附性能最好,其飽和吸附量可達到191.2mg•g-1。

1.2礦質材料

常見的礦質材料包括海泡石、硅膠、沸石、黏土、膨潤土等,由于材料來源廣泛、價格低廉、環境友好而受到關注。礦質材料因具有可交換的陽離子、表面負電荷、表面活性羥基、較大的比表面積和孔道結構等特點,可用于重金屬離子吸附。礦質材料用于吸附時,一般也需要加工和改性來提高吸附性能。王思陽等[10]以煤矸石為原料合成了X型沸石,在最佳吸附條件下,其最大吸附量為149mg•g-1,Hg去除率達到99.1%,且X型沸石對Hg(II)的吸附量約為煤矸石的4倍,說明合成的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為天然和人工合成的高分子材料。常見的天然高分子吸附材料有殼聚糖、纖維素、海藻酸鹽等;人工合成的高分子吸附材料有離子交換樹脂、螯合樹脂等。Xu等[11]合成了一種富硫微孔聚合物(SMP),該聚合物對Hg(II)具有較強的親和力,吸附量可達595.2mg•g-1,可將Hg(II)濃度從200μg•L-1降低到可接受的飲用水水平,展示了其在廢水處理中的應用潛力。

1.4生物質材料

生物質材料包括藻類、菌類、農林廢棄物以及生物質提取物等,具有成本低、污染小、來源廣泛、可再生等特點。Li等[12]成功合成了新型纖維素基熒光生物吸附材料,用于水中Hg(II)的檢測與吸附,測得該吸附材料對Hg(II)的最大吸附量為143.88mg•g-1,檢出限為84μg•L-1。Foroutan等[13]以蛋殼廢棄物為原料制備納米顆粒吸附材料,對Hg(II)的最大吸附量為116.27mg•g-1,該吸附材料使用7次后,吸附效率僅降低10%。與其它吸附材料相比較,生物質材料具有成本低、二次污染少等優點。

1.5磁性納米材料

磁性納米粒子(MNPs)作為固相吸附材料,具有強磁性、高比表面積、耐久性和低毒性等優點,是一種高容量、高效率的吸附材料,含鐵氧化物(Fe3O4)顆粒以其低成本、低毒、環保等優點[14],成為目前最受歡迎的磁性材料。在復雜的環境條件下,裸露的磁性Fe3O4顆粒易團聚,其磁性可能發生改變。但由于其顆粒表面有羥基存在,因此具有表面改性的能力,為了提高超順磁性Fe3O4納米粒子的穩定性與生物相容性,常采用表面活性劑或聚合物進行表面改性,使其表面附著不同功能的多種表面官能團。當某些官能團與磁性納米粒子結合時,可以增強其對目標金屬的親和力,從而更好地從廢水中去除或回收金屬離子。該材料的另一個顯著優點是,在吸附完成后,吸附材料可通過簡單的磁性工藝從介質中分離出來。Fatemeh等[15]研究了硫醇功能化的Fe3O4磁性納米粒子(TF-MNPs)對水中Hg(II)的去除效果,該材料的最大吸附量為344.82mg•g-1。結果表明,TF-MNPs能有效地去除水體中的Hg(II),并且TF-MNPs可通過磁選的方法提高對Hg(II)的吸附能力。Shen等[16]制備了半胱氨酸功能化的Fe3O4磁性納米粒子,在最佳條件下,Hg(II)的去除率高達95%,最大吸附量為380mg•mol-1。此外,該吸附材料在醋酸濃度為1.0mol•L-1條件下可再生95%,是一種很有應用前景的吸附材料。

2展望

近些年,對水體中汞的吸附材料的研究已取得了一定的成果。當前應該解決的問題是,開發高效、無毒、經濟、易分離的吸附材料,同時吸附材料的再生和二次污染也應當是著重考慮的問題。磁性納米材料特別是磁性Fe3O4,可使用聚合物或無機材料來賦予其表面活性,使其表面功能化,從而從復雜環境中有選擇地去除目標污染物。另外,磁性納米材料具有較大的表面積和獨特的磁性,而磁分離似乎是克服吸附材料在吸附過程中與溶液分離能力缺乏,及二次污染限制的最佳方法,是一種非常有應用前景的吸附材料。在未來的研究中,需要更多的嘗試擴大這類材料的實際應用。

作者：吳小瓊 殷平 徐強 劉希光 徐彥賓 楊正龍 孫文娟 單位：魯東大學