活性炭吸附Cd的研究[文献综述]

毕业论文文献综述环境工程活性炭吸附Cd的研究一、前言部分随着现代化的发展，工业废水和城市生活污水的排放，造成了严重的环境污染和饮用水质量的下降。

水中重金属离子不同形态的存在容易在各种生物体内聚集，最终对人类直接或间接的产生影响，造成各种疾病和中毒，严重威胁着人类的健康。

重金属离子严重危害人体健康，因此在废水处理中必须将其去除。

人们对水质的要求越来越高，传统去除重金属离子的方法很多，但都存在某些不足之处，推动了污水处理技术的空前发展，传统去除重金属离子的方法很多，但都存在某些不足之处，而吸附法因其材料易得，价格低廉，去除效果好而受到人们的青睐，因此加快了吸附材料的研究，其中活性炭由于大的表面积，丰富的孔结构和独特的表面官能团而被认定为是优良的吸附剂，广泛应用于对污水中有机质和重金属离子的吸附。

除去水中重金属离子的方法很多,传统的有化学沉淀法、氧化还原法、铁氧体法、电解法、蒸发浓缩法、离子交换树脂法等,这些方法存在投资大、运行成本高、操作管理麻烦、并且会产生二次污染和不能很好地解决金属和水资源再利用等问题。

目前在实际运用中较多的是采用吸附法,吸附法因其材料便宜易得,成本低,去除效果好而一直受到人们的青睐。

近年来研究者在这方面的研究主要集中在寻求更为合适的新型廉价吸附材料,取得了一系列的成果,工艺逐步成熟,现在已开始应用在实际工程中。

重金属是指比重大于5的金属，约有45种，包括铅（Pb）、镉（Cd）、汞（Hg）、铬（Cr）、铜（Cu）、锌（Zn）、镍（Ni）等。

砷（As）虽不属于重金属，但因其来源以及危害都与重金属相似，故通常列入重金属类进行研究讨论。

近年来，随着工业的发展，大量的重金属排入土壤及河流、湖泊和海洋等水体中，危害土壤、水生生态环境。

环境中的重金属不能被降解，主要通过空气、水、土壤等途径进入动植物体，并经由食物链放大富集进入人体，其极低浓度就能破坏人体正常的生理活动，损害人体健康。

重金属污染现已成为一个世界性的环境问题，引起人们越来越多的关注。

近年来，突发性的环境污染事件骤增，其中重金属污染的案例占很大比例。

突发性的环境事件会导致重金属在短时间内高浓度地进入环境，从而产生严重的污染。

2008年，在贵州独山县、湖南辰溪县、广西河池、云南阳宗海、河南大沙河等地发生多起砷污染事件、2009 年8 月以来，又发生了陕西风翔儿童血铅超标、湖南浏阳镉污染及山东临沂砷污染事件，这些重金属污染事件有些是由于管理不当、交通事故等人为原因造成，有些则是因环境长期受到污染、污染物含量超过环境容量而突然暴发的结果。

重金属污染问题已日益严重，对污染环境的治理迫在眉睫。

二、主题部分镉是地壳中一种稀有元素,虽然现在我们还不完全理解它的生物活性,但镉暴露引起的环境问题,包括镉的生态毒理学、在植物区系和动物区系的迁移转化、生物富集和生物放大引起的生态学问题,以及在人体积累引发的组织损伤、内分泌紊乱、心血管疾病、生殖器官功能障碍和癌变,成为一个社会焦点问题。

陆地生态系统中的镉即使是很低的浓度也往往伴随着生态效应。

植物镉中毒直接影响到基因表达、抑制DNA复制、减少光合作用量、降低植物对水和营养的吸收,并呈现明显的中毒症状,如萎黄病、抑制生长、根尖变褐色, 直至死亡。

但对于镉等重金属的污染,植物的反映并不是非常被动的,植物具有依靠真菌共生体来减轻镉毒性的免疫反应。

研究发现,大多数植物的生态演替依靠大量的真菌共生体来改善和获得营养,保护植物免受生物和非生物因素的胁迫,而在重金属污染的土壤中,共生微生物通过营养协调或减少金属毒性以改进植物的适合度, 减轻镉对植物生态系统的风险。

如共生菌能够缓解欧洲赤松( Scots pine) 种子镉暴露的影响。

这种改进的程度因共生菌的种类和基因型而异, 虽然多种真菌共同作用下减少镉转移到寄主植物的机理目前还不清楚,但一些学者认为可能由于外生菌根真菌在细胞内的分隔、螯合、配位和络合作用直接减轻了镉的毒性并且,土壤中镉浓度的增加会触发植物对重金属的耐受性,促使土壤细菌和菌根真菌进化,如琵琶对镉表现出异常的耐受性现象就是一个典型的例证。

这些研究表明, 植物通过耐受性和共生菌的共同作用减轻了镉的危害, 从而降低了镉中毒引起的生态风险。

不过,从目前的研究来看,除琵琶外,很少发现第2种对镉具有耐受性的植物。

但是这些研究启迪人们可以通过共生菌的筛选等途径,借以提高包括农作物在内的植物品种对镉的耐受性,这在理论和实践中都将具有重要的科学意义。

镉对动物具有致畸、致癌和导致染色体突变的多种生态效应,其危害性已对生态安全构成了威胁。

无脊椎动物无论在海水还是在淡水生态系统中都存在镉暴露风险,淡水生态系统中的生物区系对镉尤其敏感。

水生无脊椎动物大多因生物富集而存在镉暴露风险,且它们对镉敏感程度远超过脊椎动物。

哺乳动物镉的转移通过蛋白联合体,尤其与金属硫结合储藏于肝、肾和肠内长达10余年以上。

从物种的角度,人们一直更多地关注镉对生态系统及其生态服务功能的影响程度,如镉作物品种的富集对具有休闲娱乐以及商业价值的甲壳类水生物的生态风险,而且通过食物链对人体健康构成的风险是一个更为重要的问题。

普通处理法对吸附重金属离子效果并不好，且费用高昂。

活性炭吸附法是一种效果好费用相对的低的新型处理法。

活性炭吸附的机理为，溶质从水中移向固体颗粒表面，发生吸附，是水、溶质和固体颗粒三者相互作用的结果。

引起吸附的主要原因在于溶质对水的疏水特性和溶质对固体颗粒的高度亲和力。

活性炭对离子的吸附过程主要有下列几个步骤：（1）液膜扩散，由流体主体扩散至吸附剂表面；（2）孔扩散，由吸附剂孔内液相扩散至吸附剂中心；（3）表面吸附反应。

重金属离子在吸附剂如活性炭上的吸附往往不仅仅是单纯的物理吸附，而是常常与吸附剂的表面官能团进行反应形成沉淀和络合物或进行离子交换等，故其不可能象有机物分子一样在吸附剂表面以吸附态形式自由地迁移。

因此，对于重金属离子而言，认为其吸附机理包括三个方面的过程：（1）重金属离子在活性炭表面沉积而发生的物理吸附；（2）重金属离子在活性炭表面可发生离子交换反应；（3）重金属离子与活性炭表面的含氧官能团发生化学吸附。

活性炭吸附能力受多方面影响2.1 活性炭粒径、孔隙的大小活性炭的吸附能力与活性炭的孔隙大小和结构有关。

一般来说，颗粒越小，孔隙扩散速度越快，活性炭的吸附能力就越强。

Huang 和Smith 等（1981）通过实验证明，颗粒活性炭（GAC）的吸附速度远小于粉末活性炭（PAC）的吸附速度，孔隙的扩散速率被认为是制约吸附速度的主要因素。

在随后Huang 和Wirth等的实验中，通过一系列的粒径大小不一的粉末活性炭，证明了随着粒径的增加，孔隙内的扩散对吸附过程的影响越来越重要。

Rubin 和Mercer(1987)比较了可以通过8~10目筛和可以通过50~200目筛的颗粒活性炭的吸附速度，得出粒径为可通过8~10目筛的颗粒活性炭达到吸附平衡的时间为95h，而粒径可以通过50~200目筛的颗粒活性炭达到吸附平衡的时间平均为6h，两者差距明显。

此外，颗粒的粒径还影响到活性炭比表面积的大小。

活性炭纤维（ACF）与颗粒活性炭和粉末活性炭相比，其孔径分布狭窄而均匀，微孔体积占总体积的90 %左右，微孔孔径大多在1 nm左右，实验表明，其对水中重金属离子的吸附较后两者相比，吸附容量有较大的提高，吸附速率也较快。

2.2 温度的影响活性炭对重金属离子的吸附过程实质上是吸附与脱附相互交织的过程。

由于吸附反应是吸热反应，因此，一般来说温度低一些好。

通过不同温度下的吸附试验，发现一定温度下（<50℃）对吸附容量的影响并不大，活性炭对重金属的吸附依旧可以得到比较好的效果。

只有当溶液温度较高（>50 ℃）时，液相吸附热虽然较小，但是由于分子热运动的加剧，导致对吸附平衡的破坏，吸附容量有所减小，表现为物理吸附性能的特性。

2.3 pH值活性炭表面各类含氧基团、官能团，主要以-CHO，-OH，-COOH，-C=0 四种形式存在，它们通常是活性炭吸附的活性中心。

考虑到吸附机理，pH 值作为重要的介质因素，不仅仅影响吸附点解离，而且影响重金属离子的溶液化学水解，氧化还原反应和沉淀。

通过对铅镉离子不同pH 值下的吸附试验发现，当溶液的pH在3.0～6.5之间时，随着pH 值升高，活性炭吸附容量升高，但是随着pH 的继续升高，吸附容量反而降低[1]。

这是因为在pH 值很小的时候，溶液中存在大量的H离子，活性炭表面的-CHO，-OH，-COOH，-C=0 会跟溶液中的H 结合，改变了活性炭表面的亲和性，此时活性炭的有效活性中心被H占据，重金属离子没有充分被吸附，所以吸附量相对较低。

随着溶液的pH 值的升高，跟活性炭表面官能团结合了的H会发生离解，使得大量的活性中心暴露在外面，重金属离子将占据这些活性中心而有效地被吸附，所以吸附量是随着pH 值的增大而增大的。

但是随着pH 值继续增大，溶液中的OH-与金属离子的化学作用力增大，导致吸附量的相对下降。

2.4 水中其它粒子的影响当水中含有其它重金属离子时，其受活性炭的吸附程度可能会受到彼此的影响，从而发生协同效应或者拮抗效应。

Wey 等发现当水中含有一些不同的重金属离子时，活性炭的吸附效率会有活性炭吸附重金属离子的影响因素分析较大程度的下降，尤其是铅和镉两种重金属离子。

这些重金属离子形成的化合物会占据在活性炭的表面而使其吸附面积大幅度下降，使活性炭丧失吸附其他物质的能力。

水中的其他化合物也可能会对吸附产生影响。

Reed等在试验使用活性炭去除镍和镉的过程中，使用EDTA、丁二酸和磷酸盐作为添加剂，对于Nuchar 和Darco两种类型的活性炭，由于自由配基体的作用，EDTA 的添加使得其吸附能力下降；而对于Calgon 类型的活性炭，在低pH 值的情况下，EDTA 的添加使其吸附能力得到提升。

而丁二酸、磷酸盐的添加没有对吸附造成影响。

当然，活性炭的吸附能力与污水浓度有关。

在一定的温度下，活性炭的吸附量随被吸附物质平衡浓度的提高而提高。

三、总结部分从近年来发展起来的重金属废水处理新方法来看,主要是为了满足当今日益严格的环保要求,使重金属废水得到最终妥善的处置。

利用吸附法进行废水中有毒重金属的去除及稀有贵金属的回收，具有高效、经济、简便、选择性好的优点，特别是处理传统方法不能处理的低浓度重金属废水具有独特的应用价值。

因此是一种应用前景很广阔的重金属废水的处理手段。

由于重金属离子的特殊性质，使得活性炭对重金属离子的吸附除普通的物理吸附外，在活性炭的表面还会有离子交换反应和含氧官能团的化学吸附。

根据对活性炭吸附影响因素的分析，通过调节pH 值、对活性炭表面进行改性、对水样进行预处理等措施，可以显著改善活性炭的环境适应性，提高活性炭的吸附能力。