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    淺談重金屬廢水處理技術

    水是人類賴以生存和發展的物質基礎,維系著整個社會的進步。據聯合國一份報告指出,世界上超過1/5人口的地區處于中等或高度供水緊張狀態。中國水資源總量居世界第6位,但人均水量約為世界人均水量的1/4,是水資源嚴重不足的國家之一,預計到2010年總缺口將達到1140億t。近年來隨著工業生產和城市現代化水平發展,廢水大量排放,水源中重金屬積累加劇,重金屬污染嚴重,因此重金屬廢水的治理受到國內外科研工作者的高度重視。筆者對重金屬廢水的來源、危害,幾種處理重金屬廢水的方法及其優缺點和發展趨勢進行了綜述。


    1 重金屬廢水的來源及危害


    一般來說,重金屬是指密度大于4.5 g/cm3的金屬,比如金、銀、銅、鐵、鉛、鋅、鎳、鈷、鉻、汞、鎘等,其中有些是人體不可缺少的微量元素,但是如果超量就會對環境或者人體造成傷害。


    廢水主要來源于礦山開采業、機械加工業、有色金屬冶煉業、石油化工企業和電鍍行業等,比如選礦尾礦排水,機械加工用水,有色金屬冶煉廠除塵排水,有色金屬加工廠酸洗水,廢舊電池垃圾處理用水,廢石場浸淋水等。除此之外,在醫藥、農藥、油漆、涂料等行業也會產生重金屬廢水。重金屬廢水中的重金屬種類和含量跟從事的行業密切相關。


    金屬廢水污染具有獨特的性質。先是其生物不可降解性,其次還具備毒性持久性。重金屬廢水進入江河湖泊,污染土壤,其中的金屬可以被農作物吸收,影響農作物的生長,造成減產或者更大的損失。重金屬也可通過植物的根系進入食物鏈,其副作用會被放大,在人體內聚集,導致新陳代謝紊亂,生物機能下降,對人體造成極大傷害。1956 年日本熊本縣水俁鎮一家氮肥公司排放的廢水中有汞,含汞的廢水在海水和魚類中聚集,導致中毒病人2248人,其中死亡 1004人。重金屬廢水帶來的傷害之大,損失之重讓人扼腕嘆息,因此,正確處理重金屬廢水具有重要的意義。


    2 重金屬廢水處理的傳統方法


    重金屬廢水處理的傳統工藝方法主要有化學沉淀法、電化學法、膜分離法、吸附法、電解法等。


    2.1 化學沉淀法


    化學沉淀法是指在廢水中加入藥品制劑,通過化學反應,溶解在水溶液中的金屬離子變成不溶性的沉淀物進而分離出來的方法。比較常用的有中和沉淀法、硫化物沉淀法和鐵氧體沉淀法。中和沉淀法是指在重金屬廢水中加入堿性溶液,一般選擇石灰水(Ca(OH)2溶液),廢水中的重金屬離子會生成難溶性的氫氧化物沉淀。這種方法操作簡單,應用廣泛,但是容易造成二次污染。硫化物沉淀法是指在重金屬廢水中加入硫化鈉(Na2S)溶液,是廢水中的重金屬離子以硫化物的形式沉淀下來。這種方法形成的沉淀比較穩定,容易進一步處理。鐵氧體沉淀法是向重金屬廢水中加入鐵鹽,通過控制工藝流程,使其中的多種重金屬離子與鐵鹽形成鐵氧體共沉淀,然后分離去除。這種方法可以同時去除多種重金屬離子,在應用上具有獨特的優勢。


    2.2 電化學法


    電化學法是指運用電解的基本原理,使廢水中的重金屬離子通過電解作用在正負兩極上分別發生氧化還原反應,使重金屬聚集,沉淀在電極表面或者沉淀到容器底部,然后進行處理。這種方法是一個復雜的工藝處理過程,期間發生了氧化還原反應、沉淀反應,并且需要進一步分離凈化,但是這種方法可以回收一些重金屬,具有一定的價值,但是其成本略高。若處理低濃度的重金屬廢水時考慮其成本則很少使用此種方法。


    2.3 膜分離法


    膜分離技術是指在分離工藝中,利用一種特殊的半透膜,在外界壓力的作用下,不改變溶液中溶質的化學形態,將溶質和溶劑進行分離濃縮的方法。根據使用的半透膜的性能不同,膜分離法可以分為微濾、超濾、納濾、反滲透、電滲析、液膜等方法。這種方法將廢水中的重金屬離子轉化為特定的大小的不溶狀態的微小顆粒,然后通過濾膜將其除去。膜分離法優點突出,效率高且無二次污染,但是膜的壽命短,需要認真維護,投資費用也比較高。


    2.4 吸附法


    吸附法是指利用吸附劑來吸附廢水中重金屬的方法。吸附法常見的有物理吸附法、樹脂吸附法、生物吸附法。在物理吸附法中,吸附劑把廢水中的重金屬離子吸附到表面,進而除去廢水中的重金屬離子。吸附劑應該具備較高的比表面積或者吸附劑表面具有豐富的高密度空隙結構。常用的吸附劑有活性炭、沸石、粘土礦物、分子篩等。活性炭是使用早,應用廣泛的吸附劑。活性炭的吸附能力強,吸附容量大,可以同時吸附多種重金屬離子,但是使用壽命短、價格昂貴。樹脂吸附法是利用樹脂中的一些官能團和重金屬離子螯合形成網狀配合物來進行吸附。樹脂中含有很多活性官能團,有羥基、羧基、氨基等,這些活性的官能團可以有效地和金屬離子發生鰲合反應。其中應用多的是殼聚糖及其衍生物,很多環保學者已經證實其具備良好的吸附性能。生物吸附指利用生物體的化學結構或成分特性來吸附廢水中的重金屬離子。生物吸附劑本質是一種特殊的離子交換劑,主要是菌體、藻類和細胞提取物,起作用的是生物細胞。生物吸附劑因其來源豐富、價格低廉容易回收等優點在處理重金屬廢水中使用的越來越廣泛。


    3 重金屬廢水處理新技術


    3.1 納米技術及材料


    納米技術作為一門新興學科,對其研究才剛剛開始。但納米技術在水污染治理方面的巨大潛力已得到廣泛認同。納米過濾是一種由壓力驅動的新型膜分離過程,介于反滲透與超濾之間。納濾膜主要存在以下兩個特點:(1)膜的截留相對分子質量為100~1 000,納濾膜存在真正的微孔,孔徑處于納米級范圍。(2)納濾膜對不同價態離子的截留效果不同,對單價離子的截留率低,對二價及多價離子的截留率則相對較高,由于讓大部分單價離子自由通過,使得納濾膜只需使用較低的操作壓力(一般為0.5~1.5 MPa);同時納濾膜的通量高,與反滲透相對,納米過濾具有設備投資低、能耗低的優點。目前,采用納米過濾技術可有效去除鎳﹑鉻(Ⅵ)﹑鎘﹑銅等重金屬污染物(主要來源于工業廢棄物泄漏和工業廢水排放)。


    3.2 光催化技術


    光催化法是一種環境友好型水處理方法,利用光催化劑表面的光生電子或空穴等活性物種,通過還原或氧化反應去除重金屬。目前,光催化法降解廢水中的重金屬大多還處于實驗研究階段,實驗室常用的光催化劑是二氧化鈦(TiO2)。TiO2光催化去除重金屬離子有3 種機理:(1)光生電子直接還原金屬離子;(2)間接還原,即由空穴先氧化被添加的有機物,然后由產生的中間體來還原金屬離子;(3)氧化去除金屬離子。近年來,利用半導體 TiO2光催化法去除或回收廢水中的 Se4+、Cu2+、Hg2+、Ag+和Cr6+等金屬離子的研究備受關注,尤其對 Cr6+的研究廣泛。光催化法耗能低、無毒性、選擇性好、常溫常壓、快速高效,在重金屬廢水處理中前景廣闊且日益受到重視,但從實際應用的角度出發光催化法還存在著許多問題,如重金屬離子在光催化劑表面的吸附率低,光催化劑的吸光范圍窄等。


    3.3 新型介孔材料


    根據國際理論和應用化學聯合會(IUPAC)定義,介孔材料指孔徑介于 2~50 nm 的多孔材料。介孔材料具有長程結構有序、孔徑分布窄、比表面大(>1 000 cm2/g)、孔隙率高且水熱穩定性好等優點。因此,介孔材料是當今國際上的研究熱點和前沿之一。近年來,研究者通過對材料進行化學修飾或改性處理,已制備出了諸多新型功能化介孔材料,對含Hg、Cu、Pb、Cd 等的廢水治理展示了誘人前景。馬國正等以十六烷基三甲基溴化銨為模板劑,合成了A1-MCM-41介孔分子篩,研究表明,Cd2+能定量吸附在A1-MCM-41 分子篩上,大吸附量為136.86 mg/g(Cd2+的初始質量濃度為400 mg/L)。A.M.Liu等用氨基功能介孔材料SBA-15處理含重金屬廢水,結果顯示SBA-15(NH2)對 Cu2+、Zn2+、Cr3+和Ni2+均有很強的去除能力。目前利用新型高效介孔材料吸附劑處理重金屬廢水仍處于實驗研究階段,吸附劑的價格限制了其在工業上的應用。


    3.4 基因工程技術


    Wilson在20世紀90年代嘗試用基因工程技術對微生物進行改造,并將其應用于含汞廢水的治理,取得了較好結果。隨后其他研究者也逐漸將基因工程技術應用于不同類型重金屬廢水的處理,從而使這一領域的研究日趨活躍。基因工程技術應用于重金屬廢水的治理指通過轉基因技術,將外源基因轉入微生物細胞中,使之表現出一些野生菌沒有的優良遺傳性狀,從而實現對重金屬 Hg、Cu、Cd 等高效的生物富集。利用基因工程處理重金屬廢水目前尚處于實驗研究階段,真正用于工業水平還存在一些問題,如利用基因工程菌連續化處理重金屬廢水就面臨難題。


    4、結語


    水資源匱乏和環境污染的當今社會,應該對重金屬廢水處理更加重視,意識到重金屬廢水處理具有具大意義。應當綜合運用各種技術來進行處理廢水中的重金屬,實現水資源和重金屬的雙重回收,爭取利益。


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