Xuan+Sang+Nguyen+张高科+廖庆玲

摘 要：本文综述了废水中重金属离子的各种处理方法，简要说明了各种方法的优缺点，重点介绍了吸附法处理技术的研究现状，最后展望了介孔新型材料用于重金属离子的净化处理研究和实际应用趋势。

关键词：重金属离子；净化；新型材料

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.047

含有重金属离子的污染物进入水体会造成水体的重金属离子污染。矿冶、机械制造、化工、电子、仪表等工业生产过程中产生的重金属工业废水对人类健康和自然生态系统都会有影响[1]，因此，水中的重金属离子必须得到妥善处理。本文介绍目前国内外处理废水中重金属离子的方法，如活性炭吸附法，总结了各种方法的优缺点，最后展望了废水中重金属处理方法的发展趋势。

1 水中重金属离子可采用的净化方法

1.1 沉淀法

沉淀法一般是通过化学反应把水体中的重金属离子从游离态的转变为含重金属的沉淀物，再过滤和分离处理，使沉淀从水中分离，包括中和、硫化物、铁氧体共沉淀几种方法[2]。各种处理技术的操作分别如下：把碱加入到含重金属的废水中，重金属会转变为不溶于水的氢氧化物沉淀，然后将沉淀物分离，该法操作耗时少，简单；把硫化物类的沉淀剂加入废水中生成硫化物沉淀而除去重金属也常用；先将铁盐向废水中投加，然后控制工艺条件，使金属离子形成不溶性的铁氧体晶粒，最后固液分离，从而达到去除重金属离子目的。

1.2 电解法

电解法用于重金属离子的净化是一种相对成熟的废水净化处理技术[3]，不仅污泥的生成量能有效的减少，而且能高效地回收某些贵金属。其基本原理是电解过程中，氧化和还原反应分别在阳、阴两极上发生，有害物质在氧化还原作用下转化为无毒无害物质，实现废水的净化。电解法技术去除率高、可回收所沉淀的重金属加以资源优化，二次污染情况少、处理过程中所使用的化学试剂量少；常温常压下，操作管理简便；废水中污染物的浓度发生波动时，通过电流电压的调整，可保证出水水质的稳定；整套装置的占地面积不大，有效节省空间。

1.3 氧化还原法

废水中的重金属离子在氧化还原作用下生成无毒无害的新物质，其实质是在氧化还原过程中，无机物元素的原子或离子在失去或得到电子的过程中会导致元素化合价的变化，是用于治理电镀废水的最早方法之一[4]，此法原理简单、操作好掌握、對水量和高浓度废水的冲击承受大。一般根据还原剂的种类可以分为NaHSO3法、FeSO4法、SO2法、铁屑法等。

1.4 膜分离新型处理技术

该技术可以在分子水平上，利用混合物分子具有不同粒径的特征，在通过半透膜时可实现选择性分离，包括电渗析滤膜、反渗透滤膜、萃取滤膜、超过滤滤膜等。电镀工业废水经过膜分离处理后的废水组成稳定，并可回槽使用。膜分离废水净化技术是近年来发展最迅速的高新技术，分离效率高、分离过程中不会发生相变且不会化学反应、分离器体积小、低能耗和方便操作等，广泛应用于物质的分离与浓缩，具有广阔的发展前景，在废水处理中已受到特别的青睐[5]。

1.5 高效离子交换法

离子交换处理法是利用离子交换树脂、沸石等交换剂分离废水中有害金属离子的方法。离子交换树脂主要有凝胶型和大孔型两种，前者有选择性交换功能，后者制造很复杂、高成本、再生剂耗量大。交换剂将自身所带的能自由移动的离子通过与被处理的溶液中的离子进行交换来实现净化目的。离子间的浓度差和功能基对离子的亲和能力是离子交换的推动力，多数情况下交换剂的离子是先被吸附，再被交换，具有吸附、交换的双重作用[6]。

1.6 生物净化处理技术

生物技术治理废水日益受到人们的关注，根据净化机理的不同，可分为絮凝法、吸附法、化学法以及植物修复法。利用微生物或其产生的代谢物来实现絮凝沉淀；利用生物体本身的特殊化学结构及特性成分来吸附水中的金属离子，最后通过固液两相分离去除金属离子的方法也广受关注[7]。

1.7 吸附净化处理法

重金属离子可利用吸附剂的独特结构特点来除去，常用吸附剂有活性炭、腐植酸、海泡石、壳聚糖树脂等。该法要求对水进行预处理，因为吸附剂自身的价格一般较昂贵，所以主要用于微量污染物的净化处理，也常用于从高浓度的废水中吸附某些有用的特定物质以达到资源回收和治理的目的。目前，应用于工业废水处理的吸附剂主要有活性炭和生物吸附剂。一些尚处于实验室模拟阶段的吸附剂有粘土类、高分子、利用废弃物制备的吸附剂和复合吸附剂等。其中活性炭可用于净化去除大多数的重金属和有机分子，具有较强的吸附能力， 但由于其使用成本相对昂贵、复杂的工艺操作和运行管理， 因而很多地区难以得到广泛的应用。绝大部分吸附剂可能存在吸附效率低，产生二次污染无法解决等问题。介孔材料经过功能化处理后，特殊的功能基团对重金属的吸附能力强，还可以选择性地吸附水中重金属离子，并且在适当条件下可以进行再生，实现吸附材料的重复使用，并且吸附效果仍然非常可观[8]。

2 重金属净化处理方法的缺点

化学沉淀法处理金属离子废水往往出水浓度达不到要求，沉淀剂的使用工艺和操作的环境条件等方方面面都会影响出水质量，产生的沉淀物需作进一步处理，否则容易造成二次污染。电化学法在运行过程中的电耗和电极金属会产生大的消耗量，沉淀物质分离出来后不能够直接处理利用，整体操作成本较高。氧化还原法需要加入特定的氧化剂或者还原剂，不可避免会导致处理废水的成本大大升高，不同的有害物质还必须采用特定的试剂来处理，反应后的废液的后处理也不是件简单的事情。膜分离法虽然处理金属离子的效率高， 但是膜材料的生产和预处理成本也很高，特别是膜组件价格贵，膜容易受污损等等问题制约了膜分离技术在废水处理领域的广泛应用。离子交换法在处理金属离子废水的过程中难免会产生过量的再生废液，处理周期长，耗盐量也蛮大，排出大量含盐废水特别容易引起输送管道的腐蚀。离子交换树脂使用过程中容易受到多种有机物的干扰和污染，当溶液中含有多种不同元素的离子时，缺乏普遍适用性。生物吸附材料能够对重金属离子进行有效地吸附，但是目前研究发现，具备高吸附容量，而且能够选择性吸附的廉价生物材料很稀缺，真正实现市场化还需要进一步的深入研究和不断探索。

3 介孔材料用于重金屬吸附处理的研究趋势

介孔功能吸附材料在金属离子净化处理的研究中发现，操作简单、具有吸附容量高、选择吸附性，能够反复使用等特点，对于它的研究比较多[9-20]，这些优点将可望成为处理重金属离子污染的有效解决途径。介孔材料在水处理方面也有一些问题还没有解决，比如功能化介孔材料对指定的特殊重金属离子的吸附，介孔材料功能化的工艺参数，如接枝基团的种类和数量等的控制，介孔材料对重金属离子的吸附机理的研究也不透彻。介孔材料吸附重金属离子后的再生材料吸附效率也是一个研究的方向。从操作和经济可行性方面考虑，介孔材料今后的发展趋势或者目标有：1）吸附和脱附速度快；2）生产成本低，能够重复使用；3）有一定的理想粒度，形状和机械强度，能够在连续流系统中应用；4）具有对重金属离子的选择吸附性；5）脱吸附后吸附剂的损失量小，经济上可行。

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作者簡介：Xuan Sang Nguyen（1986-），男，博士，越南籍留学生，主要研究方向：功能应用材料。