纳米氢氧化镁在重金属水处理方面的应用

2015-10-21苏明阳唐静

当代化工 2015年7期

关键词：吸附剂重金属纳米

苏明阳唐静

摘要：纳米氢氧化镁是一种新型无机材料。由于其无毒、无害、腐蚀小、吸附能力强等特点，在重金属水处理方面得到了广泛应用。在论述近年来纳米氢氧化镁吸附应用进展的基础上，阐述目前存在的问题和以后的发展方向。

关键词：纳米氢氧化镁；吸附剂；水处理

中图分类号：TQ 050.4+21 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）07-1592-03

Application of Magnesium Hydroxide Nanoparticles in Water Treatment

SU Ming-yang ， TANG Jing

（Henan Polytechnic Institute ， Henan Nanyang 473000， China）

Abstract： As a new type of inorganic material， magnesium hydroxide nanoparticles can be used as absorbent based on the advantages of non-toxicity， harmless， low corrosion， strong adsorption ability. In this paper， research progress of magnesium hydroxide nanoparticles was reviewed. Meanwhile， disadvantages and development trend of the research on application were also presented.

Key words： Magnesium hydroxide nanoparticle； Absorbent； Water treatment.

1 水体重金属污染现状

近些年来，水体重金属污染正逐渐成为全球性难题[1]。国家环保部的调查显示，我国水体重金属污染问题十分突出，江河湖库底质的污染率高达80.1%。调查还显示，由长江、珠江、黄河等河流携带入海的重金属污染物总量约为3.4万t/a，对海洋水体的污染危害巨大。

重金属一般以天然浓度存在于自然界，但随着中国工业化进程的加速，涉及重金属排放的加工、冶炼、化工、电镀、塑料、电池等加工及制造活动日益增多，造成重金属进入到水体中。重金属易通过水和土壤进入到食物链，即使微量也可在活机体内富集且较难被降解，可阻断生物分子表现活性所必需的功能基，置换生物分子中所必需的金属离子，改变生物分子构象或高级结构，最终引发生物体机能紊乱和各种疾病。此外由于多数重金属在水中以离子形式存在，无色无味，很难被直观检测和常规仪器检验出来，因此水体重金属污染较为隐形，难以提防。近几年我国频频爆发重金属污染事件，2005年广东北江韶关段发生重金属严重超标事件；2006年湘江湖南株洲段出现重金属污染事故；2009年4月湘江重金属污染威胁到4 000万人饮用水安全； 2010年春节广西龙江河段镉泄漏严重威胁到当地及下游沿岸地区群众饮水安全。

一方面是重金属污染日益严重，而另一方面则是重金属全球储藏量不高，Tb、Dy等稀土类重金属矿仅供再开采30 a，因此重金属废水的处理已成为亟待解决的环境问题和经济问题。若治理得当，不仅有助于工业废水的循环利用，节约水资源，而且有利于重金属的回收和再次投入工业生产，必将极大促进国民经济健康有序地发展。2011年3月，国务院还批准了《湘江流域重金属污染治理实施方案》，这也是迄今为止全国第一个获国务院批准的重金属污染治理试点方案。2011年国务院还批复了《重金属污染综合防治“十二五”规划》，这是我国历史上第一次把重金属污染的防治纳入国家的规划中。该方案规划项目近千个，总投资额百亿元，力争到“十二五”末解决危害群众健康的重金属污染问题。

2 纳米氢氧化镁吸附剂的优点

目前常用的重金属水处理方法包括：化学沉淀、离子交换、吸附、电化学、膜分离、生物法等。其中生物法处理重金属废水有利于生态环境的彻底改善，但此种方法真正大规模投入实际应用需要基因工程、分子生物学等技术的进一步发展。与其他方法相比，吸附法的工艺过程相对简单，能耗、操作费用和原材料成本均相对较低，且不存在二次污染等问题。吸附法常用的沸石、粘土、活性炭等材料适用于水体中较高浓度重金属的脱除，而對于废水中低浓度重金属的处理，纳米氢氧化镁等纳米级吸附剂有较大优势，其主要包括以下优点：（1）原料易得、绿色环保。生产原料主要来源于天然矿物（水镁石和方镁石）、苦卤和老卤，且使用和废弃过程中均无有害物质排放；（2）颗粒比表面积较大，暴露在表面的缺陷也就更多，接触面积大，具有强烈的吸附作用，可一并处理工业废水中常见的有机物和络合剂；（3）纳米氢氧化镁作为吸附剂还具有无毒、无害、绿色环保等优点，可有效避免二次危害和污染；（4）氢氧化镁是一种弱碱，无腐蚀性，易于保存和运送，故不需要特制防腐设施；（5）较之氢氧化钙，氢氧化镁被酸性污水中和不易形成沉淀和结垢，不易产生二次污染，便于大规模的操作使用[2]。

3 纳米氢氧化镁吸附性能及机理研究

Guo等详细考察了吸附时间、温度、吸附剂浓度、pH值等对纳米氢氧化镁处理含钴溶液的影响[3]。翟德伟等还将其应用于含铬废液的处理[4]。研究发现，纳米氢氧化镁处理效果比一般的氢氧化镁要好很多，5 min已经基本吸附完全，最大吸附量达到了102 mg/g，是普通氢氧化镁的2.5倍。胡婉玉等在制备了片状纳米氢氧化镁的基础上，进一步研究了其吸附含铅溶液的性能[5]。结果发现，在吸附时间40 min，吸附剂加入量1 g/L，铅初始浓度200 mg/L，振荡速度140 r/min的情况下，即可使铅的去除率达到99.6%。路娟等结合紫外吸收监测，采用Langmuir方程对纳米氢氧化镁吸附含镍废液的数据进行了拟合，证明了吸附过程在25 min即可达到平衡，吸附量会随着温度的升高而增加[6]。

Li等则在采用纳米氢氧化镁回收稀土金属（RE）的基础上，继续探究了具体的吸附机理[7]。由于氢氧化镁溶度积比一般金属都大，处理过程中会发生如下置换反应：

3Mg（OH）2 + 2RE3+ → 2RE（OH）3 + 3Mg2+

伴随着反应的进行，氢氧化镁逐渐溶解，新生成的RE（OH）3沉积在纳米材料的表面。当沉积层达到一定厚度时，会阻碍材料的继续溶解，最终终止反应，完成稀土金属的处理。具体吸附过程可见图1。

图1 纳米氢氧化镁吸附稀土金属示意图

Fig.1 Mechanism of nano-Mg（OH）2 adsorbing rare earth metal from water

郝建文等则认为吸附过程实质上是一种表面络合反应。纳米氢氧化镁晶体结构Mg（OH）64-表面的OH-易与重金属离子发生络合反应，进而完成吸附作用[8]。Cao等通过研究指出由于纳米氢氧化镁的等电点高达11.9，可通过静电吸引吸附带负电荷的三碳酸双氧铀UO2（CO3）34-（铀在自然环境中与碳酸盐形成的配合物），从而完成水中低浓度铀的提取[9]。

在整个吸附工艺过程中，吸附剂的负载和再生工序都必不可少，尤其是对于重金属的吸附过程。在进行污水治理的过程中，纳米级吸附剂容易随水流失，给再生造成困难。Zhang等在阳极氧化铝膜的孔隙，通过化学沉积法制备得到排列整齐的管状纳米氢氧化镁，将其负载在多孔材料上，在处理过程中充分发挥两种水处理方法的优势，起到扬长避短的作用[10]。吸附剂的再生，不仅可使吸附剂重新恢复吸附性能，实现循环利用，而且也可对重金属等有利用价值的吸附质进行回收。对于纳米氢氧化镁吸附剂的再生，有报道称是将其焙烧得到氧化镁，用于重新制备吸附剂继续投入废水处理，提高了原料的利用率，降低了废水处理的成本。也有报道是采用外加盐酸调节pH值的方法，实现吸附剂和重金属的分离。Liu等则以二氧化碳作为相转变媒介，在一定条件下促使纳米氢氧化镁转化为碳酸镁，同时完成90%的六价铬的解吸，上层清液中铬含量可增浓近40倍[11]。碳酸镁经过后续的步骤可重新得到纳米氢氧化镁，从而建立吸附剂的再生循环，具体过程见图2。

图2 纳米氢氧化镁吸附剂再生示意图

Fig.2 The regeneration process of nano-Mg（OH）2 as absorbent

4 结论

纳米氢氧化镁等纳米级吸附剂有其先进性的地方，但也存在易在水处理过程中流失等缺点，可尝试将纳米材料吸附与其他水处理方法相结合，实现污染治理、重金属回收和吸附剂可持续使用的三重目的，真正达到有效预防和经济治理相结合。此外纳米氢氧化镁吸附性能研究目前还较多处于实验室操作阶段，放大实验和中试实验的数据比较缺乏。伴随纳米技术的发展成熟和性能更优越的纳米级吸附材料的不断出现，应将研发的重点放在现有工艺的调整、改进和优化上，以更好在实际应用中发挥纳米氢氧化镁等纳米级材料优越的吸附性能，来对抗现阶段有机污染和重金属污染占水体污染比重逐年增大的情况。

參考文献：

[1]王绍文，姜风有.重金属废水治理技术 [M]. 北京：冶金工业出版社，1993：1-100.

[2]鲁俊文，王维，张爱清，等. 纳米氧化镁的吸附及分解性能研究进展 [J] .硅酸盐通报，2011，30（5）：1094-1098.

[3]Xiaojun Guo， Juan Lu， Li Zhang. Magnesium hydroxide with higher adsorption capacity for effective removal of Co（Ⅲ） from aqueous solutions [J] .Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers， 2013， 44： 630-636.

[4]翟德伟，陈爱民，倪哲明. 纳米氢氧化镁合成及用于含铬废水处理的研究 [J] .科技通报，2007，23（1）：141-145.

[5]胡婉玉，袁新松，郝建文，等. 片状纳米氢氧化镁吸附铅离子性能研究 [J] .轻金属，2012（9）：60-62.

[6]路娟. 纳米氢氧化镁的制备及其吸附性能的研究 [D] .兰州：西北师范大学，2010.

[7]Chaoran Li， Zanyong Zhuang， Feng Huang， et. al. Recycling rare earth elements from industrial wastewater with flowerlike Nano- Mg（OH）2 [J] .Applied Materials & Interfaces， 2013（5）： 9719-9725.

[8]郝建文，柴多里，杨保俊. 片状纳米氢氧化镁吸附铅离子吸附平衡与动力学 [J] .硅酸盐通报，2012，31（5）：1127-1132.

[9]Qing Cao， Feng Huang， Zanyong Zhuang， et.al. A study of the potential application of nano- Mg（OH）2 in adsorbing low concentrations of uranyl tricarbonate from water [J] .Nanoscale， 2012（4）： 2423-2430.

[10]Shuna Zhang， Fangyi Cheng， Zhanliang Tao， et.al. Removal of nickel ions from wastewater by Mg（OH）2/MgO nanostructures embedded in Al2O3 membranes[J]. Journal of Alloys and Compounds， 2006， 426： 281-285.

[11]Weizhen Liu， Feng Huang， YongJing Wang， et. al. Recycling Mg（OH）2 nanoadsorbent during treating the low concentration of CrVI[J]. Environmental Science & Technology， 2011， 45， 1955-1961.

（上接第1591页）

图表中我们设定了两条曲线，计划值曲线和实习完成值曲线。两条曲线存在三种表现形式。

图2 项目进度曲线图

Fig.2 Project schedule curve chart

第一种情况，计划值曲线在实际值曲线上方，说明当前实际施工进度落后于计划进度。为保证工程如期完成，此时应对剩余计划做适当调整，加快施工进度。

第二种情况，计划值曲线在实际值曲线下方，则表明当前实际施工进度超前于计划进度。此时施工进度有了一定的保障，但要注意施工过程中的安全和产品质量。

第三种情况，计划值曲线和实际值曲线重合，说明实际的施工进度完全按照原定的施工计划进行，这是一种理想状态。通常这几种情况交替出现，通常滞后的情况居多。

通过三者关系的对比可以直观的看出目前施工状态。当实际曲线高于计划曲线时，则当前项目进度处于提前状态；当计划曲线高于实际曲线时，则当前项目进度处于滞后状态，详见图2。下一步需要对项目原定计划进行相应的修改，从而保证项目能够按业主规定时间进行中交。

4 结论

综上所述，采用赢得值法进行工程项目的费用、进度综合分析控制是一个复杂施工管理过程，随着工程管理的不断提高，工程管理水平将会达到更高水平。

参考文献：

[1]张雪莲.”赢得值”法控制工程成本分析[J].生产力研究，2009（10）：47-47.