东华大学配伍化学重金属配位吸附(论文)

重金属配位吸附

随着重金属在如今日常生活中应用的日益广泛，重金属的处理问题也日渐成为当今科技和生活中的研究重点，本组就重金属和相关配合物的作用在重金属污染、重金属中毒的处理方面做了一些讨论。

一、水体重金属污染

水是生命之源，水体污染的影响可想而知，举个简单的实例：我国每年生产干电池50亿只，其中锌汞电池和碱性电池1亿只，每年电池用汞100吨。由于人们用完电池随意乱丢，重金属汞的污染日益增多，而如果用含有重金属离子的污泥和废水作为肥料和灌溉农田，会使土壤受污染，造成农作物中及进入水体后造成水生生物中重金属离子的富集，通过食物链对人体直接产生严重危害。所以重金属水体污染亟待得以良好的解决。

然而，废水中的重金属是各种常用水处理方法不能分解破坏的，而只能转移它们的存在位置和转变它们的物理化学状态。现如今，重金属离子络合剂法就是国内外最新研究成功的一种处理重金属污染水体的化学沉淀法。此法是应用与重金属可产生吸附作用的重金属离子络合剂处理污染水体，相比于之前的传统处理方法，本方法所使用的重金属离子络合剂无毒无味，在使用过程中，不会产生二次污染，对水体安全可靠，出水水质好，同时不会去除钠、镁、钾、钙等碱土金属，且可以重复利用；其次本方法节能，处理效率高，

投资小，运行费用低，故具有极其广阔的应用前景。

其方法作用的主要机理就是重金属络合剂中所含有的-COOH、-OH、-NH2等官能基团以及自身带有的负电荷阴离子性质，均对重金属离子有吸附作用，同时表面还黏附着大量有机含硫、含磷高分子化合物。重金属离子与表面结构材料上的羧基阴离子、磷酸阴离子、有机含硫高分子化合物和有机含磷高分子化合物等发生相互作用而被固定，形成不溶性“Metaplex球体”。而“Metaplex球体”也会释放部分外部电荷吸引其他Metaplex和金属的络合物。当这些不溶性颗粒在废水中循环时，它们会互相结合形成絮体，最终形成重金属污泥，到达除去水中重金属离子的效果。

目前，常用的重金属离子络合剂有六种，分别为羧基酸盐及乙醇胺络合剂、磷酸盐类、高分子聚合物、冠醚、0MS形貌的锰氧化物、EX2000。

1、羧基酸盐及乙醇胺络合剂

在这类络合剂中常见的主要有三种，分别是：羧甲基羟基丁二酸（CMOS）、羧甲基羟基丙二酸（CMOM）、羟乙基氨基乙酸（DHEG）。这类化合物都含有羧基，能与重金属正离子产生吸附作，从而固定重金属离子，随沉淀从水中除去。

2、磷酸盐类

此类络合剂的典型代表是三偏磷酸钠和四偏磷酸钠。其作用的主

要基团是磷酸基团，对重金属离子产生特殊的吸附作用，从而到达除去重金属的目的。

3、高分子聚合物

聚( 4- 经基四亚甲基1,2一二羧酸)(CP2）和聚(四亚甲基1,2,4一三梭酸)(CP4)是应用最为广泛和效果最好的高分子聚合络合剂。作用机理与第一种相似，都是羧酸的吸附作用，但因其基团较大、为聚合物的特点，吸附结果和沉降结果都较好。

4、冠醚

冠醚对多种重金属都有吸附作用，且效果较好，但因其造价过高应用范围不是很广泛。

5、0MS形貌的锰氧化物

OMS形貌的锰氧化物对Pb的吸附效果很好，优于其他重金属离子，并随着OMS形貌的锰氧化物的用量的增多而效果更加明显。

6、EX2000

EX2000在当今的处理中应用较多，主要应用于含镍废水和含铅废水的处理中，同时，在对其的研究和开发上都较为重视。

综上所述，重金属离子络合剂法以其绿色环保、操作方便等特点逐步成为处理重金属水体污染的主要方法。同时，重金属离子络合剂

的研究及开发应用也都成为当今研究的重点，络合剂的不断创新使重金属水体污染得以更好的解决，保护了我们的环境，促进了可持续工业的发展。

二、土壤重金属污染

土壤的重金属污染是指人类活动产生的重金属物质进入土壤,当其含量超过土壤本身的自净能力,并使土壤的成分,性质发生变异,降低农作物的产量和质量,并危害人体健康的现象。

土壤承受着从各种渠道而来的固态的、液态的和气态的污染物。这些污染物在土壤中经过物理的、化学的和生物的作用，不断地发生稀释或富集，分解或化合，迁移或转化等作用，与其他环境介质进行传递和交换，进入循环。与此同时，也有一部分污染物不能及时转化、降解而残留在土壤里。这种积累和净化是同时进行的，是两种相反作用的对立统一过程，两者处于一定的平衡状态。如果进入土壤的重金属污染物的数量和速度超过了土壤净化作用速度，破坏了积累和净化的自然动态平衡，就使积累过程逐渐占了优势。当重金属污染物质积累达到了一定的数量，就会引起土壤正常功能受到妨碍，使土壤质量下降，影响植物正常生长发育，并通过植物吸收，通过食物最终影响人体健康。

然而，土壤中的重金属污染问题较复杂。因为土壤本身都含有一定量的重金属元素，其中很多是作物生长很需要的微量营养元素，如锰、铜、锌等。因此，只有当进入土壤中的重金属元素积累的浓度，超过了作物的需要和可忍受的程度，而表现出受毒害的症状，或者作

物并没有受害，但产品中的某些重金属含量超过了卫生标准，造成对人、畜的危害时，则被认为土壤受了重金属污染。

污染土壤的重金属主要来自工业废水、废气，其中值得注意的是汞、砷、镉、铜、锌、铅等。重金属污染对人、畜有严重危害，如镉污染造成的“痛痛病”，汞污染造成的水俣病等。

那么，为什么重金属污染后果这么严重呢？它不能被土壤微生物降解而消失。重金属进入土壤以后，一般被土壤胶体或腐殖质吸附或沉淀或络合固定，而积累在土壤中。土壤的酸性强时，重金属离子易被溶出，碱性强时，重金属溶出得就少。重金属在土壤中的污染一旦形成就不容易消除。土壤的重金属污染会向地表水和地下水中迁移，这又会加重水体污染。

其实，无论当地有无污染，只要周边或更远的地区存在重金属污染源，就有可能出现镉米或别的被污染粮食产品。此类污染会随着工农业生产而流动、转移，具有明显的流域性和扩散性。

以湘江流域为例，在其上游地区，锰、铅、锌等矿产资源开发已有几十年、上百年历史。当地临江而建的采矿企业，洗矿时使用大量江水并随意排放；冶炼企业直排、偷排生产废水，导致湘江处于枯水期时，重金属含量往往超标，江底至今沉积了几百吨重金属残留物。当江水泛滥时，沿岸土壤会被污染；当引水灌溉时，或近或远的地方也会被污染。而在一些并非沿江的矿区，则会导致地下水被污染，当人们抽取井水灌溉农田时，土壤会被污染……

土壤重金属离子污染主要有以下特征：（1）形态多变：随Eh（氧化还原电位）、Ph、配位体不同，常有不同的价态、化合态和结合态，形态不同引起有效性和毒性的不同；（2）很难降解：污染元素在土壤中一般只能发生形态的转变和迁移，难以降解。

土壤重金属离子污染化学修复是一种很好的降解重金属污染的方法。螯合剂可以通过与土壤溶液中的重金属离子结合，改变重金属在土壤中的存在形态，使重金属从土壤颗粒表面解吸，由不溶态转化为可溶态，进而随水淋失或被修复植物吸收利用，达到降低土壤中重金属含量的目的。

常用的螯合剂大致可分为人工螯合剂和天然螯合剂两类。

土壤污染已经成为一个不可忽视的环境问题，我们必须努力采取各种有效的手段对其进行修复和防治。做好土壤污染防治工作，必须以改善土壤环境质量和保障农产品安全为目的，以土壤污染状况调查与监测为基础，以控制生产和生活污染源为重点，以依法监督管理为手段，加强宣传教育与国际合作，开展污染土壤修复与综合治理试点示范，保障土壤环境安全和人体健康。

三、人体重金属中毒

随着工业的发展，人们对重金属的使用也越来越频繁，也导致了越来越严重的重金属中毒事件。重金属离子中毒的原理，以汞离子举例，就是

S

SH—酶—SH+ Hg2+ 酶 Hg2 +

S 汞离子使正常酶变成了中毒酶，抑制人体必须的蛋白质的合成，影响

人的正常生理活动；或是抑制酶的活性，影响人体内的离子调节，改

变蛋白质的结构，使蛋白质凝固；有些还能影响神经系统，抑制和干

扰神经系统功能。较常见的重金属离子中毒有Hg、Pb、Cu、Cd等，

虽然元素不同，但是中毒机理大同小异。

1、汞中毒

血液与组织中的汞可与蛋白质及酶系统中的巯基结合，抑制其功

能，甚至使其失活。高浓度的汞还可与酶中的氨基、羟基、磷酰基、

羧基等结合，引起相应的损害。汞可通过钙离子而激活细胞内的磷脂

酶，分解细胞内的磷脂，生成花生四烯酸与氧自由基等而损害其功能。

2、铅中毒

铅吸收后进入血液循环，主要以磷酸氢铅（PbHPO4）、甘油磷酸

化合物、蛋白复合物或铅离子状态分布全身各组织，最后约有95%的

铅以不溶性的正磷酸铅稳定地沉积于骨骼系统，血液中的铅约95%分

布在红细胞内，主要在红细胞膜。骨铅与血铅之间处于一种动态平衡，

当血铅达到一定程度，可引起急性中毒症状。

3.铜中毒

铜是生命必需的微量元素之一，缺乏及过量均对机体有害。正常

人自肠道吸收的铜在血清中与白蛋白疏松结合并进入肝脏，大部分铜

再转与α2球蛋白巩固地结合形成铜蓝蛋白一部分铜由胆管排泄，小

量铜由尿中排出仅有一小部分继续留在血循环中。当摄入体内的铜超过肝脏的处理能力，铜就释放入血，造成中毒。

4.镉中毒

镉对组织的毒作用是通过镉和钙竞争与钙调素（calmolulin，CaM）结合，干扰CaM及其所调控的生理、生化体系，使Ca2+-ATP酶和磷酸二酯酶活性抑制、细胞质中微管解聚而影响细胞骨架、刺激动脉血管平滑肌细胞导致血压升高。

而对于日常生活中人们重金属中毒的途径，主要是来自职业病以及日常生活饮食安全，比如前一段时间沸沸扬扬的湖南“毒大米”事件。

另外纺织工业中所用的各种染料助剂也是重金属污染以及重金属离子中毒的一大途径。因此我们小组结合我们学校的特色纺织印染，介绍了关于染发中的重金属离子应用与中毒。人的头发是由水不溶性的含二硫键的胱氨酸的量较高的角蛋白组成。另外还含有其他十几种氨基酸，这些氨基酸分子中存在许多氨基(---NH2)和羧基(一COOH)，因此能和含有极性基团的酸性或碱性染料形成离子键、氢键等。染发的原理是染料的基团与头发中的氨基羧基基团发生配合使颜色附着。染发染料主要分为天然植物类染发剂、氧化型染发剂、还原型染发剂、无机类染发剂、无机类染发剂扩展。早期的无机染发剂是先在头发上涂刷硝酸银溶液，再抹硫化钠溶液，它们反应生成黑色硫化银附在头发上使头发着色。其中使用到了许多重金属，因此造成了不可避免的重金属污染以及中毒。

在治疗重金属离子中毒中，使用比较广，效益比较好的是金属硫蛋白（MT）金属硫蛋白是富含半胱氨酸的金属结合蛋白,其巯基（SH) 能强烈螯合有毒金属,并将之排出体外,从而实现其解毒作用。实验证明，金属硫蛋白是重金属中毒的最佳解毒剂之一。

重金属配位吸附在日常生活中有很多应用，了解和掌握有关配位吸附的原理知识，能更好的利用配位吸附服务于生活，工业生产和环境治理当中，提高生活质量和生产能力，最重要的是使环境得到改善，建设美好家园。