废水中重金属离子吸附影响因素研究

2021-12-25徐扬唐婧

辽宁化工 2021年5期

徐扬，唐婧

（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳 110168）

废水重金属离子污染是一个全球性的环境问题，特别是在发展中国家，这是由于日益增加的工业和农业活动以及废水和生活污水中有毒重金属离子的不当释放[1]。大多数有毒重金属离子包括Cd(II)、As(III和V)、Cr(III和VI)、Cu(II)、Pb(II)和Hg(II)在人体和动物体内容易生物积累，对生态环境和人类健康构成严重威胁[2]。因此，有效地去除这些有毒污染物就显得尤为重要。

许多常见技术，如离子交换、膜分离、电化学处理已被用于处理废水中的重金属离子，而它们中的大多数技术是昂贵的，操作过程复杂，很可能会造成二次污染，从而限制它们的应用[3]。近年来，吸附法以快速高效廉价的特点实现了废水中重金属离子的稳定去除，并得到了广泛的应用[4]。迄今为止，吸附法仍然是最有效的方法之一。

环境因素对吸附效能的影响研究具有十分重要的意义。在影响废水重金属离子的吸附能力中，主要参数如溶液pH、吸附剂用量、初始重金属离子浓度、吸附时间、温度、共存离子影响等。本文从这些影响因素分别展开综述。

1 主要影响因素

1.1 pH值

研究重金属离子吸附过程中，pH值通常被认为是第一个重要参数，它影响着重金属离子的存在形态，对吸附剂的吸附特性以及吸附剂的表面电荷有重要影响。肖俊杰[5]使用改性海泡石吸附溶液中Cu2+和Cr3+，在较低pH值下，吸附效果均不佳，随着pH增大，吸附效果逐渐增强，在pH为6时吸附量最大，分别为35.30 mg·g-1和36.50 mg·g-1。继续增大pH，吸附量不再改变。He[6]等制备一种季铵化纳米纤维素气凝胶吸附铬离子，pH为3时吸附率超过91%，而高于或低于此pH值时，都会导致吸附率下降。Panya[7]等使用生物炭吸附Cd2+、Cr3+、Pb2+和Hg2+，Pb2+在pH为7时的最大吸附量为50.05 mg·g-1，其余3种离子不超过30 mg·g-1。Cr3+和Hg2+在pH＞4时会产生沉淀，Cd2+和Pb2+在pH＞7时产生沉淀。

1.2 吸附剂用量

通常来说，吸附剂用量越多，吸附效果越好，这是因为其表面积和可交换位点更易接近。在Somaye[8]等研究了壳聚糖对Pb2+的吸附能力，随着壳聚糖由0.02 g·L-1增至0.2 g·L-1时，吸附率提高了近78%，在该剂量范围内，活性点位数的数量倍增与Pb2+结合通过离子交换或螯合作用而快速被吸附，继续增加剂量，去除率略有增加并最终保持不变。Liu[9]等将葡萄糖与壳聚糖聚合成高分子树脂吸附Co2+，当吸附剂在0～0.02 g范围内，吸附剂用量增加有利于Co2+的吸附，超过0.02 g后，吸附量无任何改变。这是由于Co2+浓度不变，过多的吸附剂可能会发生聚集，空吸附位点消失，导致吸附量不变。

1.3 初始重金属离子浓度

初始重金属离子浓度与吸附剂活性位点的相对关系对吸附实验有重要影响。初始重金属离子浓度的增加可能会导致去除率有所降低，但同时会伴随着吸附量的增加。Gu[10]等用纳米氧化锌处理牙科废水中Cr3+，研究发现随着Cr3+浓度的增加，Cr3+吸附量虽有所增加，反观吸附率却在下降。这是因为Cr3+浓度较低时，ZnO-NPs具有较大的比表面积和较多吸附孔位，Cr3+浓度增加会导致离子间的相互碰撞和相互作用增加，阻碍离子迁移，进而影响吸附率。Ikhazuagbe[11]等通过绿色合成技术从甘蔗渣合成了二氧化硅颗粒，Pb2+和Ni2+质量浓度在10～50 mg·L-1之间增加，吸附率分别表现出先增加再降低的趋势，在40 mg·L-1达到平衡峰值。

1.4 吸附时间

吸附刚开始的一段时间内，吸附剂快速从水中吸附重金属离子，而后慢慢随着时间达到平衡。Fan[12]等自合成了一种多孔SBS/藻酸凝胶珠，Pb2+和Cd2+分别仅在10 min达到了吸附容量的80.50%和76.10%。NabilA[13]等以硝酸铈铵为引发剂，纤维素和DB18C6为原料合成新型超分子复合材料，吸附溶液中Zn2+和Ni2+，结果表明在20～60 min内，Zn2+和Ni2+去除率分别由35%和50%提高到70%和79%，而60 min后，吸附量均保持不变，因此确定的最佳吸附时间为60 min。Lo[14]等使用毛竹活性炭吸附去除Pb2+，前2 h去除率达到79.30%，4 h后去除率保持在99.0%，达到吸附饱和。D.Božić[15]等将多种木屑合成吸附材料，发现对Cu2+和Cd2+吸附是分两步进行的，前10 min内，吸附反应迅速发生，吸附率分别达到了98.20%和98.90%，30 min时达到稳定，之后吸附量没有显著增加，且该吸附符合准二级动力学模型，与N.Fiol[16]所得出的结论一致。

1.5 温度

温度对吸附量的影响主要是通过影响分子间相互作用和溶解度来实现的。在大多数情况下，吸附剂对重金属离子的吸附量随着温度的升高而增加，这可能是由于吸附剂表面吸附位点数量增多或金属离子扩散速率加快所致。S.Mnasri-Ghnimi[17]等研究温度对改性柱黏土吸附Cd2+的影响。随着温度升高，吸附量和吸附率均大幅提升，符合准二级动力学模型和朗缪尔等温模型。但在某些情况下，随着温度的升高，重金属离子的吸附量也可能降低，吸附的综合作用结果是在一定温度范围内有较好的吸附作用。Milton[18]等以碳酸钙为载体，合成纳米二氧化硅吸附实际工业废水中Pb2+，当温度从20 ℃升高到60 ℃，吸附率提高至99.57%，而吸附量在50 ℃达到饱和，在60 ℃时反而下降了8.25 mg·g-1。

1.6 共存离子

重金属废水中经常会出现多种离子共存的情况，它们竞争同一吸附位点，相互干扰，从而影响吸附效果。Bing-JieNi[19]用生物炭研究二元体系Pb2+和Cd2+的竞争吸附，单金属体系中Pb2+和Cd2+的最大吸附量分别为0.75和0.55 mmol·g-1，而当它们共存于同一溶液中，Cd2+在生物炭上吸附受到严重抑制，Pb2+则受影响不大，更具有竞争优势。Johnson.E[20]采用纳米纤维有机骨架膜吸附Zn2+、Cd2+、Pb2+和Hg2+，对照单金属体系，共存使它们的吸附率分别下降18%～37%不等，且在金属阳离子存在越多的背景下，竞争吸附越明显。这表明竞争吸附会导致所有离子吸附能力降低，每种离子与吸附剂之间的亲和力各有不同，因此每种离子下降程度不同，也与Li[21]研究成果相似。Xu[22]等使用羧基化磁性氧化铁纳米颗粒同时吸附溶液中的Pb2+、Cu2+、Cd2+和Ni2+竞争吸附过程，以初始浓度为1.0 mmol·L-1的重金属混合溶液，羧基化磁性氧化铁纳米颗粒MNPs-COOH吸附率的优先顺序为Cd2+＞ Cu2+＞ Pb2+＞ Ni2+，尽管随着吸附剂用量增加，吸附量也仍符合此顺序。不但共存的阳离子会影响目标重金属离子的吸附效果,共存阴离子也会影响吸附作用。王建龙[23]等用生物菌藻类作吸附剂吸附铬离子, 低浓度的Cl-对吸附有促进作用, 而Br-、NO3-对吸附均有抑制作用。