重金属脱除方法机理浅析

摘  要：近年来，随着工业污染加剧，重金属带来的污染问题越发严重，各行业都面临利用各种技术方法脱除其中的重金属的问题。文章对重金属脱除方法进行了归纳，并对脱除机理进行了简要分析，包括物理法、化学法、离子交换法、微生物法、活体脱除法、排斥法等。

关键词：重金属;脱除方法;机理

近年来，随着工业污染加剧，重金属带来的污染问题越发严重，各行业都面临利用各种技术方法脱除其中的重金属的问题。目前国内外脱除重金属的方法[1-3]有多种，主要有：物理法、化学法、离子交换法、微生物法、活体脱除法、排斥法等，现对各脱除方法机理浅析如下，仅供参考。

1.物理方法

脱除重金属的物理方法有很多，其中主要有吸附法、絮凝法、电极法、浸泡法、超声波法等[1]。

1.1吸附法

吸附法指利用吸附材料的吸附性能对重金属进行吸附。吸附法中常用的吸附材料为活性炭、沸石、壳聚糖类、改性膨润土等。

活性炭吸附[3]：活性炭具有微孔发达、比表面积高的特点，能与杂质充分接触，当这些杂质被微孔吸附，起净化作用。且可以经过改性在其内表面上嫁接各种基团如羰基、羧基等，改性后的活性炭吸附能力更强，是一种优良的重金属吸附材料。活性炭吸附重金属离子的机理主要有物理吸附，金属离子与活性炭表面的离子交换，金属阳离子与活性炭表面的静电作用等。

沸石吸附[5-6]：吸附和离子交换双重作用，可以通过高温煅烧法以及碱改性法有效提高吸附容量及对金属阳离子的吸附能力。

壳聚糖类[7-10]吸附法：壳聚糖是天然生物高分子化合物甲壳素的脱乙酰基产物，壳聚糖分子中具有氨基和羟基，可络合金属离子，相比较碱金属，壳聚糖对重金属具有更好的选择性，同时无毒，无污染，可以生物降解的特点使其更适合应用于食品工业中。壳聚糖与金属离子作用机理：金属离子主要通过三种方式与壳聚糖结合，包括离子交换、物理吸附与螯合。壳聚糖对镉的配位，随壳聚糖用量的增加，配位时间的延长，其配位能力增强。一般在酸性条件下，随着PH的增加，吸附容量增加。

羧甲基壳聚糖[8-9]是壳聚糖经化学改性得到的水溶性衍生物，由于羧基的引入，使其结合金属离子能力大大提高，络合反应相对于未经改性之前的壳聚糖而言，变得迅速。

改性膨润土吸附[1]：改性膨润土对镉具有较好的吸附性能，PH是影响改性膨润土对重金属离子吸附的重要因素，吸附的最佳PH范围为5-7。

1.2絮凝法

絮凝法[6]去除重金属的原理主要是通过静电吸附，电性中和，黏附、架桥和交联作用破坏系统的稳定性，使微粒之间通过相互聚集而形成较大颗粒，在重力作用下沉降，最终达到分离的目的。絮凝剂可分为无机絮凝剂和有机絮凝剂和微生物絮凝剂。

1.3电极法

电极法的原理是在电场作用下，利用电迁移、电渗析和电泳等脱除固体中的重金属。

1.4浸泡法

浸泡法适用于处理量较小，重金属含量较低的固体，其原理是通过利用多相浸泡渗透压平衡来达到脱除重金属的目的。在浸泡过程中，部分重金属会迁移到浸泡液中，且温度越高迁移越多。

1.5超声处理法

超声处理法的原理是利用超声波的空化[11]效应，在固体表面形成很多小泡，小泡会不断膨胀，当膨胀到一定程度时会停止吸收能量，同时瞬间发生坍塌，小泡坍塌的瞬间会产生高温、高压，从而使重金属分离。

2.化学方法

化学法脱除重金属的机理为通过化学提取剂将不溶态重金属化合物转变成可溶性离子态，当重金属从固相进去液相后，加入碱性物质或者硫化物[1，12]，如碳酸氢钠、氧化钙、硫化亚铁、硫化氢等。研究常用的化学提取剂包括有机酸、无机酸、络合剂或螯合剂和一些无机化合物。

2.1无机酸和有机酸

常用无机酸主要有硝酸、盐酸和硫酸[1，13]，有机酸主要一般为柠檬酸[1，13-14]、草酸[1，13]和乳酸[15]，目前去除固体中超标的重金属多采用有机酸来脱除。酸处理后，重金属溶出，进入液相，可通过添加氧化钙、氢氧化钠、碳酸氢钠等碱性物质或硫化钠、硫化亚铁等硫化物使其沉淀从而得到去除。

2.2络合剂

利用有机络合剂[16-17]来去除重金属的原理是在一些不溶或难溶的金属化合物中加入络合剂后，利用其对于重金属的螯合能力，将其转化为可溶态的金属络合物予以去除。较强的螯合剂如EDTA、NTA、植酸可与重金属发生络合反应。溶解的重金属可用石灰沉淀回收，或用氢氧化钙将PH调到7.0后回收重金属离子。EDTA作为脱除剂存在以下优点，如具有螯合众多重金屬的能力，适用范围广、洗脱效果较表面活性剂等更好等优点。作为传统的络合剂，EDTA有着较长的应用历史，曾作为食品添加剂来控制重金属含量，但由于其过量使用及随意排放也使EDTA成为一种污染物质而限制了其应用。植酸作为新型无污染络合材料开始尤为关注，植酸有羧基和磷酸基等大量的活性基团，具有很强的金属鳌合能力。

络合法处理重金属虽然在选择性和脱除率方面有其优势，但脱除过程中固液分离较为困难，以EDTA为例，加入后只是改变了重金属的存在形态，使重金属与络合剂结合降低其毒性，很难真正意义上去除重金属离子。且同时还带入了鱼仔中不能添加的EDTA残留物质。

2.3无机化合物

某些无机化合物可以用来萃取重金属，如三氯化铁[1]。三氯化铁萃取重金属主要通过以下两方面实现，一方面，三氯化铁水解之后可使溶液呈酸性，此时对重金属的萃取相当于酸浸取;另一方面，氯离子某些时候会充当络合剂，与重金属结合形成可溶性络合物，使重金属能够溶解在溶液中。

某些无机化合物通过化学反应改变重金属在土壤中的存在形态[18]，使其转化为低溶解性、低迁移性和低毒性物质的过程。如氯化铁和硫酸铁是一类重要的重金属污染土壤修复材料，可以用来固定或洗脱土壤中重金属如砷、铬和镉。

2.4表面活性剂

表面活性剂是一种活跃于表面和界面的物质，它具有非常高的降低界面和表面之间的效率和张力。又因它既有亲水性又有亲脂性，常用于难降解、难利用的重金属等污染物的去除。作为固体物质的重金属脱除剂，表面活性剂通常在低浓度时就能够降低水溶液和其它溶液体系表面的张力[1]。其脱除重金属的机理包括溶解、离子交换和电荷交换等。目前研究常用的表面活性剂包括阳离子交换树脂、阴离子表面活性剂和季氨盐表面活性剂。

3.离子交换法

离子交换法[1]是利用离子交换与液体中的离子发生置换作用而使离子分离的方法。离子交换剂通常是一种不溶性高分子化合物，如树脂[19]、纤维素、葡聚糖、醇脂糖等，它的分子中含有可解离的基团，这些基因在水溶液中能与溶液中的其它阳离子或阴离子起交换作用。

4.微生物法

微生物法[2，20]又称生物淋滤法，该法通过利用微生物的直接或者间接新陈代谢作用，如发生氧化、还原、溶解或者吸附的作用，把固相中重金属分离进入液相的技术。目前研究主要是嗜酸微生物，如氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌。将不溶性重金属转换为可溶性金属离子后通过化学沉淀的方法将重金属从溶液中分离出来。

微生物法脱除食品中重金属的研究较多，效果也比较显著，但脱除机理尚不明确，仍处于起步阶段。微生物法低成本、低能耗，有着远大前景，但是由于不易控制，而且所需处理时间较长，想要应用于实际生产受到较大的阻碍。

5.活体脱除法

活体脱除法是指通过将生物活体转移至洁净的水环境中，在无污染的水环境暂养[16-17]，向其饲料、饵料或水中加入能够脱除重金属的添加剂如壳聚糖、微藻活体、维生素等[1，17]，利用其自身代谢过程将本身体内的重金属等污染物排出体外直至达到安全标准的过程。但此方法所需成本较高，花费时间较长，且重金属的去除效果并不理想。

6.排斥法

Ca、Fe、Zn等元素与Pb、Cd都是二价金属元素，在体内代谢过程中存在竞争作用，Ca、Fe、Zn的供给能抑制重金属Pb、Cd在体内的蓄积。如Cd与鱼仔体内蛋白（MT[21]）结合成镉硫蛋白（Cd2+-MT），很难通过洁净海水净化脱除。但利用蛋白水解肽-金属配合物（包括铁肽、钙肽、镁肽和锌肽）与镉硫蛋白发生置换反应，亚铁离子（Fe2+）、钙离子（Ca2+）、镁离子（Mg2+）、锌离子（Zn2+）可与镉离子（Cd2+）竞争金属硫蛋白MT，形成比镉硫蛋白更为稳定的铁硫蛋白（Fe2+-MT）、钙硫蛋白（Ca2+-MT）、镁硫蛋白（Mg2+-MT）、锌硫蛋白（Zn2+-MT），从而使Cd从鱼仔体内脱出。

值得注意的是，对于可食用的产品而言，在重金属脱除过程中，食品中营养物质也会随着重金属脱除过程而脱除，需要引起关注。

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作者简介：厉志伟（1986-），男，大专学历，工程师，研究方向：化学、仪器分析。