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污水處理中重金屬離子去除
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作者:pmo988df9
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發(fā)布時(shí)間: 2019-01-05
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水體中的重金屬離子主要來源于選礦、冶煉、電鍍等領(lǐng)域。重金屬具有很高的毒性、非生物降解性、生物富集性以及不能參與人體代謝等特性，如果長期飲用即使含有極微量重金屬離子的水，也會(huì)導(dǎo)致重金屬在人體中的富集，從而產(chǎn)生一系列的毒理反應(yīng)，如腎衰竭、齦齒、肝功損壞、佝僂、神經(jīng)紊亂、腫瘤等，對(duì)人體造成不可逆轉(zhuǎn)的健康危害。因此，防治水體重金屬污染是保證人體健康的重要要素之一。
水體中重金屬離子的去除方法主要有化學(xué)沉淀法、電化學(xué)法、離子交換法、生物法、吸附法等。相對(duì)于其他方法，吸附法因具有原料來源廣泛、產(chǎn)品易得、設(shè)備操作簡單、效率高、選擇性高、回收利用率高、不易造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。在吸附法中，吸附劑是去除重金屬離子的決定性因子。在眾多的吸附劑中，高分子材料以其具有的原料豐富、產(chǎn)品類型多變、功能官能團(tuán)含量高、易分離、易保存等特點(diǎn)而被廣泛使用，在水體重金屬離子的去除中占有重要地位。對(duì)此，筆者對(duì)各類高分子材料在水體重金屬離子去除中的研完進(jìn)展進(jìn)行了綜述。
1、天然/半合成高分子材料在重金屬吸附中的研究進(jìn)展
1.1纖維素類吸附劑
纖維素是自然界中含量最豐富的天然高分子材料，主要來源于棉花、植物莖干、果實(shí)外殼等，價(jià)格低廉。作為吸附劑，纖維素是一種無毒、無污染、可降解的材料；甚于其含有大量的羥基，可通過多種化學(xué)反應(yīng)（如酯化、醚化、交聯(lián)、接枝等）引入新的化學(xué)活性基團(tuán)來提高纖維素的吸附性能。因此，基于纖維素的高分子材料吸附劑在重金屬離子的去除中占有重要地位。
作為重金屬離子吸附劑，纖維素及其衍生物主要通過以下幾種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬離子的吸附：
（1）將植物中提取出的纖維素直接用作吸附劑。這種方法往往由于纖維素中僅存在單一的基團(tuán)，對(duì)重金屬離子的吸附量不高。
（2）通過化學(xué)反應(yīng)，將纖維素表面的羥基部分轉(zhuǎn)化為羥肟基、借胺肟基、羧甲基等，使表面的官能團(tuán)多樣化，從而增強(qiáng)對(duì)重金屬離子的吸附甚至選擇性吸附。
（3）將帶有特殊官能團(tuán)的單體（丙烯酸、二乙烯三胺、甲基丙烯酸二甲胺基乙酯等）接枝在纖維素表面，從而引入大量能與重金屬離子結(jié)合的官能團(tuán)。
（4）直接將纖維素浸于甘氨酸、二乙三膠五乙酸等物質(zhì)的溶液中，經(jīng)過一定時(shí)間的反應(yīng)，制得甘氨酸、二乙三胺五乙酸等物質(zhì)修飾的纖維素。這是纖維素改性中最簡單的方法，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多種重金屬離子的高效吸附。
1.2木質(zhì)素類吸附劑
木質(zhì)素是產(chǎn)量僅次于纖維素的天然高分子材料，是最豐富且能從可再生資源中獲得的芳香族化合物，也是世界上最復(fù)雜的天然高分子材料之一。它是由苯基丙烷單元通過醚鍵和碳-碳鍵連接而成的高分子化合物，含有大量的甲氧基、羥基和炭基等能與重金屬離子結(jié)合的功能官能團(tuán)，并且存在酚型和非酚型的芳香環(huán)，其側(cè)鏈和芳香核均可進(jìn)行接枝、酯化、醚化等多種化學(xué)反應(yīng)[5]。作為一種原料豐富、無毒、清潔、廉價(jià)、富含言能團(tuán)的材料，木質(zhì)素或木質(zhì)素基吸附劑具有很高的研究與開發(fā)價(jià)值。
1.2木質(zhì)素類吸附劑
木質(zhì)素是產(chǎn)量僅次于纖維素的天然高分子材料，是最豐富且能從可再生資源中獲得的芳香族化合物，也是世界上最復(fù)雜的天然高分子材料之一。它是由苯基丙烷單元通過醚鍵和碳-碳鍵連接而成的高分子化合物，含有大量的甲氧基、羥基和炭基等能與重金屬離子結(jié)合的功能言能團(tuán)，并且存在酚型和非酚型的芳香環(huán)，其側(cè)鏈和芳香核均可進(jìn)行接枝、酯化、醚化等多種化學(xué)反應(yīng)[5]。作為一種原料豐富、無毒、清潔、廉價(jià)、富含言能團(tuán)的材料，木質(zhì)素或木質(zhì)素基吸附劑具有很高的研究與開發(fā)價(jià)
1.3殼聚糖類吸附劑
殼聚糖是甲殼素脫乙?；蟮漠a(chǎn)物，是自然界中存在的唯——種堿性多糖。殼聚糖分子中存在著的大量-OH和-NH2，其與重金屬離子有較強(qiáng)的結(jié)合能力，因此，殼聚糖在重金屬離子吸附方面有著廣闊的應(yīng)用前景。但殼聚糖是一種線性高分子材料，通常機(jī)械強(qiáng)度較低，在酸性條件下易質(zhì)子化而影響其吸附效果，且對(duì)重金屬離子的選擇性不高。因此，通常將殼聚糖與其他物質(zhì)交聯(lián)，或通過化學(xué)改性來克服以上缺點(diǎn)，從而擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。
2、合成高分子材料在重金屬吸附中的研究進(jìn)展
合成高分子材料是人類社會(huì)文明的標(biāo)志之一，至今已合成了上萬種高分子材料。合成的高分子材料通常含有很多的功能官能團(tuán)，可分別與多種金屬離子以共價(jià)鍵、離子鍵、范德華力結(jié)合，因此，合成高分子材料被廣泛應(yīng)用于水體中重金屬離子的去除。
2.1脂肪族聚合物吸附劑
聚氨酯、聚氫乙烯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯等脂肪族聚合物含有各自的功能官能團(tuán)，可以作為吸附劑或吸附劑載體，同時(shí)也可通過各類化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行改性，最終被制成各類樹脂、離子交換膜等應(yīng)用于水體重金屬離子的去除中。脂肪族聚合物作為吸附劑在重金屬離子去除中的應(yīng)用在國內(nèi)外已有大量報(bào)道。
2.2芳香族聚合物吸附劑
2.2.1苯環(huán)類聚合物吸附劑
苯環(huán)類聚合物中最常見的2種用于去除重金屬離子的物質(zhì)是聚苯乙烯和聚苯膠。在重金屬離子吸附中，聚苯乙烯因?yàn)槠渚酆蠗l件及工藝簡單，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，通常被用作骨架，將一些對(duì)重金屬離子有較強(qiáng)吸附作用的物質(zhì)負(fù)載在其表面，或直接對(duì)其表面進(jìn)行官能團(tuán)改性。
2.2.2雜環(huán)類聚合物吸附劑
雜環(huán)類聚合物含有大量的N、O或S基團(tuán)，而這一類基團(tuán)在重金屬離子吸附中起著決定性的作用。因此，雜環(huán)類聚合物被逐漸用于對(duì)各類重金屬離子的去除，且都具有較高的吸附量。
3、展望
吸附法是治理水體重金屬污染的重要方法，為了增強(qiáng)其實(shí)用性，未來還需要制備出具有吸附量高、選擇性強(qiáng)、重復(fù)利用率高以及更快速的吸附劑。如利用高分子材料穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)來提高吸附劑的重復(fù)利用率；將高分子材料與其他無機(jī)、有機(jī)材料復(fù)合制成具有高比表面積、高吸附量的吸附材料通過控制高分子材料的合成條件及言能團(tuán)的種類與數(shù)量，或利用分子印跡技術(shù)和離子通道技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬離子的高選擇性及快速吸附，從而實(shí)現(xiàn)以最簡單、有效的方法達(dá)到重金屬資源的最大化利用。這些都將使高分子材料在吸附法去除重金屬離子中具有很高的開發(fā)潛力及應(yīng)用價(jià)值。
水體中重金屬離子的去除方法主要有化學(xué)沉淀法、電化學(xué)法、離子交換法、生物法、吸附法等。相對(duì)于其他方法，吸附法因具有原料來源廣泛、產(chǎn)品易得、設(shè)備操作簡單、效率高、選擇性高、回收利用率高、不易造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。在吸附法中，吸附劑是去除重金屬離子的決定性因子。在眾多的吸附劑中，高分子材料以其具有的原料豐富、產(chǎn)品類型多變、功能官能團(tuán)含量高、易分離、易保存等特點(diǎn)而被廣泛使用，在水體重金屬離子的去除中占有重要地位。對(duì)此，筆者對(duì)各類高分子材料在水體重金屬離子去除中的研完進(jìn)展進(jìn)行了綜述。
1、天然/半合成高分子材料在重金屬吸附中的研究進(jìn)展
1.1纖維素類吸附劑
纖維素是自然界中含量最豐富的天然高分子材料，主要來源于棉花、植物莖干、果實(shí)外殼等，價(jià)格低廉。作為吸附劑，纖維素是一種無毒、無污染、可降解的材料；甚于其含有大量的羥基，可通過多種化學(xué)反應(yīng)（如酯化、醚化、交聯(lián)、接枝等）引入新的化學(xué)活性基團(tuán)來提高纖維素的吸附性能。因此，基于纖維素的高分子材料吸附劑在重金屬離子的去除中占有重要地位。
作為重金屬離子吸附劑，纖維素及其衍生物主要通過以下幾種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬離子的吸附：
（1）將植物中提取出的纖維素直接用作吸附劑。這種方法往往由于纖維素中僅存在單一的基團(tuán)，對(duì)重金屬離子的吸附量不高。
（2）通過化學(xué)反應(yīng)，將纖維素表面的羥基部分轉(zhuǎn)化為羥肟基、借胺肟基、羧甲基等，使表面的官能團(tuán)多樣化，從而增強(qiáng)對(duì)重金屬離子的吸附甚至選擇性吸附。
（3）將帶有特殊官能團(tuán)的單體（丙烯酸、二乙烯三胺、甲基丙烯酸二甲胺基乙酯等）接枝在纖維素表面，從而引入大量能與重金屬離子結(jié)合的官能團(tuán)。
（4）直接將纖維素浸于甘氨酸、二乙三膠五乙酸等物質(zhì)的溶液中，經(jīng)過一定時(shí)間的反應(yīng)，制得甘氨酸、二乙三胺五乙酸等物質(zhì)修飾的纖維素。這是纖維素改性中最簡單的方法，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多種重金屬離子的高效吸附。
1.2木質(zhì)素類吸附劑
木質(zhì)素是產(chǎn)量僅次于纖維素的天然高分子材料，是最豐富且能從可再生資源中獲得的芳香族化合物，也是世界上最復(fù)雜的天然高分子材料之一。它是由苯基丙烷單元通過醚鍵和碳-碳鍵連接而成的高分子化合物，含有大量的甲氧基、羥基和炭基等能與重金屬離子結(jié)合的功能官能團(tuán)，并且存在酚型和非酚型的芳香環(huán)，其側(cè)鏈和芳香核均可進(jìn)行接枝、酯化、醚化等多種化學(xué)反應(yīng)[5]。作為一種原料豐富、無毒、清潔、廉價(jià)、富含言能團(tuán)的材料，木質(zhì)素或木質(zhì)素基吸附劑具有很高的研究與開發(fā)價(jià)值。
1.2木質(zhì)素類吸附劑
木質(zhì)素是產(chǎn)量僅次于纖維素的天然高分子材料，是最豐富且能從可再生資源中獲得的芳香族化合物，也是世界上最復(fù)雜的天然高分子材料之一。它是由苯基丙烷單元通過醚鍵和碳-碳鍵連接而成的高分子化合物，含有大量的甲氧基、羥基和炭基等能與重金屬離子結(jié)合的功能言能團(tuán)，并且存在酚型和非酚型的芳香環(huán)，其側(cè)鏈和芳香核均可進(jìn)行接枝、酯化、醚化等多種化學(xué)反應(yīng)[5]。作為一種原料豐富、無毒、清潔、廉價(jià)、富含言能團(tuán)的材料，木質(zhì)素或木質(zhì)素基吸附劑具有很高的研究與開發(fā)價(jià)
1.3殼聚糖類吸附劑
殼聚糖是甲殼素脫乙?；蟮漠a(chǎn)物，是自然界中存在的唯——種堿性多糖。殼聚糖分子中存在著的大量-OH和-NH2，其與重金屬離子有較強(qiáng)的結(jié)合能力，因此，殼聚糖在重金屬離子吸附方面有著廣闊的應(yīng)用前景。但殼聚糖是一種線性高分子材料，通常機(jī)械強(qiáng)度較低，在酸性條件下易質(zhì)子化而影響其吸附效果，且對(duì)重金屬離子的選擇性不高。因此，通常將殼聚糖與其他物質(zhì)交聯(lián)，或通過化學(xué)改性來克服以上缺點(diǎn)，從而擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。
2、合成高分子材料在重金屬吸附中的研究進(jìn)展
合成高分子材料是人類社會(huì)文明的標(biāo)志之一，至今已合成了上萬種高分子材料。合成的高分子材料通常含有很多的功能官能團(tuán)，可分別與多種金屬離子以共價(jià)鍵、離子鍵、范德華力結(jié)合，因此，合成高分子材料被廣泛應(yīng)用于水體中重金屬離子的去除。
2.1脂肪族聚合物吸附劑
聚氨酯、聚氫乙烯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯等脂肪族聚合物含有各自的功能官能團(tuán)，可以作為吸附劑或吸附劑載體，同時(shí)也可通過各類化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行改性，最終被制成各類樹脂、離子交換膜等應(yīng)用于水體重金屬離子的去除中。脂肪族聚合物作為吸附劑在重金屬離子去除中的應(yīng)用在國內(nèi)外已有大量報(bào)道。
2.2芳香族聚合物吸附劑
2.2.1苯環(huán)類聚合物吸附劑
苯環(huán)類聚合物中最常見的2種用于去除重金屬離子的物質(zhì)是聚苯乙烯和聚苯膠。在重金屬離子吸附中，聚苯乙烯因?yàn)槠渚酆蠗l件及工藝簡單，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，通常被用作骨架，將一些對(duì)重金屬離子有較強(qiáng)吸附作用的物質(zhì)負(fù)載在其表面，或直接對(duì)其表面進(jìn)行官能團(tuán)改性。
2.2.2雜環(huán)類聚合物吸附劑
雜環(huán)類聚合物含有大量的N、O或S基團(tuán)，而這一類基團(tuán)在重金屬離子吸附中起著決定性的作用。因此，雜環(huán)類聚合物被逐漸用于對(duì)各類重金屬離子的去除，且都具有較高的吸附量。
3、展望
吸附法是治理水體重金屬污染的重要方法，為了增強(qiáng)其實(shí)用性，未來還需要制備出具有吸附量高、選擇性強(qiáng)、重復(fù)利用率高以及更快速的吸附劑。如利用高分子材料穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)來提高吸附劑的重復(fù)利用率；將高分子材料與其他無機(jī)、有機(jī)材料復(fù)合制成具有高比表面積、高吸附量的吸附材料通過控制高分子材料的合成條件及言能團(tuán)的種類與數(shù)量，或利用分子印跡技術(shù)和離子通道技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬離子的高選擇性及快速吸附，從而實(shí)現(xiàn)以最簡單、有效的方法達(dá)到重金屬資源的最大化利用。這些都將使高分子材料在吸附法去除重金屬離子中具有很高的開發(fā)潛力及應(yīng)用價(jià)值。
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