典型天然吸附剂对重金属的吸附性能研究

第30卷第2期2011年 4月

四 川 环 境

SICHUAN ENVIRON M ENT

Vol 30,N o 2Ap ril 2011

综 述

收稿日期:2010 08 18

基金项目:国家 十一五 科技支撑计划(2008BAJ08B13);国家重

点实验室自主研究青年课题(PCRRY09008);上海市科委项目资助课题(08DZ2210800)。

作者简介:焦 芳(1985-),女,安徽亳州人,同济大学环境科学与

工程学院环境科学专业2009级在读硕士研究生,主要研究方向为环境生物化学与化工。

典型天然吸附剂对重金属的吸附性能研究

焦 芳1

,李明利1

,梁 磊

2

(1 同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化国家重点实验室,上海 200092;

2 上海热交换系统节能工程技术研究中心,上海 200090)

摘要:天然吸附剂由于其本身结构的特殊性,对重金属离子有一定的吸附效果,但是原始的吸附剂在工程处理应用中

有一定的局限性,如耐酸碱性不高、吸附量不大等,因此在实际应用中采用较多的典型吸附剂多为改性材料,改性后的吸附剂提高了对环境的耐受性和对金属离子的吸附量,对于去除和回收水体中重金属有很大的优势和发展前景。关 键 词:天然吸附剂;改性;重金属;吸附性能

中图分类号:X 522 文献标识码:A 文章编号:1001 3644(2011)02 0088 05

Adsorption Perform ance of Typica lN atural or M odified Sorbents

f or R e m oval of H eavyM e t al Ions inW ater JI A O Fan

g 1

,LIM ing li 1

,LI A NG Lei

2

(1 S t ate K ey Laboratory of P olluti on Control&Resources Reuse ,College of Environ m ent S cience&E ngineer i ng,T ongj i

Universit y,Shanghai 200092,China;2 Shanghai Eng i neering Research C enter of

Energy Saving i n H eat Ex change Sy ste m s ,Shangha i 200090,China)

Abst ract :W ith the spec i a l structure ,nat u ra l sorbents can adso rb heavy m eta l i ons i n so m e w ay .H owever ,it s li m ited t o use

pr i m ary sorben ts f o r pro j ec ts due to the ir d i sadvantages such as lo w a l kali n it y o r ac i dity and li m ited sorpti on capac ity .M ostl y m od ifi ed sorbents are used due to the i r i m proved environmenta l to l e rance and so rpti on capac ity ,wh ich have m any advantages i n remova l and recovery of heavy m eta ls i n wa ter and have br i ght pro spect i n fut u re .K eyw ords :N at u ra l adsorbents

;mod ified ;heavy m e ta;l adsorpti on properties 电子、电镀、制革、化工、冶炼等工业每年产

生大量含重金属离子的工业废水,而重金属在环境中不能被生物降解,倾向于在活的生物体内积累,从而导致机体各种疾病和机能紊乱,因此需要经济有效的方法除去水体中重金属离子。传统的重金属污染废水处理方法包括离子交换法、活性炭吸附法、膜分离法、混凝法、氧化还原法和化学沉淀法等,但是因为成本,再生,回收和二次污染等问题,每种方法都具有局限性,如活性炭由于具有高的表面积和表面活性,对重金属离子具有较高的吸附能力,但是由于其成本高,且再生困难而限制了

它在工业上的大量使用,因此近年来关于吸附法的研究主要集中在寻求更为合适的新型廉价吸附材料,以经济有效地去除废水中重金属离子。本文介绍了一些天然廉价吸附剂及其对重金属离子的吸附效果,展现了廉价吸附剂应用于重金属废水处理中的巨大优势和良好的发展前景。

1 吸附剂种类及其吸附性能

1 1 壳聚糖

壳聚糖是天然类多糖甲壳素的重要衍生物,广泛存在于甲壳类动物如虾蟹及昆虫等的外壳以及许多低等植物如菌藻类的细胞壁中,是自然界中储量仅次于纤维素的最丰富的天然高分子材料。由于壳聚糖分子当中含有大量游离氨基和羟基,能与重金属离子形成稳定的螯合物,因此可有效用于含重金属离子的工业废水的处理、贵重金属离子富集与回

收等方面。壳聚糖易溶于酸性介质,对重金属离子的吸附作用受p H影响较大,限制了其在酸性环境中的使用,因此很多研究致力于改性后的壳聚糖在去除重金属离子中的应用。如Kang D W等[1]在交联壳聚糖上引进聚丙烯腈合成了偕胺肟螯合壳聚糖聚丙烯腈共聚物,并发现此共聚物对重金属的吸附量随着p H值的升高而增大。L iN等[2]利用胺屏蔽交联的方法合成了新型壳聚糖颗粒吸附剂,并比较了其与壳聚糖颗粒和传统方法合成的乙二醇二缩水甘油醚交联壳聚糖的性能,发现壳聚糖颗粒具有很好的吸附量,但酸稳定性不高,传统方法合成的壳聚糖虽对酸环境稳定,但是吸附量较单纯壳聚糖有所降低,而新型的壳聚糖颗粒吸附剂不仅具有很高的重金属离子吸附量,而且对酸环境稳定,另外,由于其酰胺基可与汞离子形成共价键,其对汞离子表现较高的选择吸附性。

Cao J等[3]利用聚丙烯酰胺和壳聚糖合成的凝胶颗粒具有大量功能基团,且交联位点不易受水相中盐分的影响,对Cu2+、Pb2+、H g2+离子具有较好的吸附效果,且再生容易。Sun X Q等[4]在离子液体中使壳聚糖和纤维素之间形成强烈的氢键,形成一种壳聚糖∕纤维素复合物,对Cu2+、Zn2+、C r6+等具有较好的吸附量。VazquezM Q等[5]将壳聚糖颗粒分散在塑料泡沫的外围,并把它作为一种螯合树脂去吸附水体中六价铬离子,实验发现其吸附等温线符合Lang m uir方程。另外,Kum ar M 等[6]合成的壳聚糖/聚乙烯醇交联颗粒对低浓度(<50m g/L)的Cd2+具有接近97%去除率,用表氯醇修饰的表氯醇交联黄酸盐壳聚糖对Cu2+的最大吸附量为43 47m g/g,且解吸率可达97%~ 100%[7]。W ang J要W等[8]发现在聚乙二醇∕壳聚糖聚合物中加入5%果糖形成的膜对铅离子的吸附等温线符合Lang m uir方程,且最大吸附量为185mg/g。交联技术在壳聚糖引进聚合物既能克服壳聚糖的酸不稳定性,又可引进功能基团提高吸附性能,因此在吸附水中重金属离子中具有很大的应用潜力。

1 2 高岭土

高岭土是一种常见的重要粘土矿物,广泛存在于沉积物和土壤中。高岭土的有效成分为高岭石,是一种含水铝硅酸盐,其晶体结构由 S i O四面体层和 A l (O,OH)八面体层构成,四面体和八面体之间共享氧原子形成高度有序的准二维片层,具有较大的比表面积[9]。由于部分铝氧八面体内的A l3+被M g2+或Cd2+同晶置换,高岭石片层带负电性,因此能吸附水中带正电荷的重金属离子。天然高岭土对水体中的Pb2+和C r3+具有较好的吸附选择性。Srivastava P等[10]发现当多种离子共存时,天然高岭土对Pb2+具有很好的选择吸附性。何翊等[11]实验证明Pb2+在实验浓度条件下呈单分子层在高岭石上发生吸附且具有较大的吸附容量。蒋明琴等[12]用天然高岭土处理实际重金属废水,发现经高岭土处理后水体中的N i2+、Zn2+、Pb2+离子浓度均达到了排放标准,其中对Pb2+的吸附明显优于其他几种离子,后又有实验证明天然高岭土可被用来吸附去除水中Pb2+、Cd2+、N i2+、Cu2+等重金属离子,且对Pb2+的吸附量远远高于其他离子[13]。Turan P发现高岭石对Cr3+的吸附过程符合Langmu ir吸附模型,且吸附性能随着pH的增加而增加,是有效去除Cr3+的一种吸附剂[14]。另外,Chan ta wong V等[15]发现高岭石对Cd2+、C r3+、Cu2+、N i2+、Pb2+、Zn2+等离子的吸附等温线符合Langmu ir等温方程式,由于C r3+具有较小的有效水和离子半径,高岭石对Cr3+有很高的吸附选择性,且吸附量最大。徐玉芬[16]在研究高岭石对废水中Cu2+、Cd2+、C r3+的吸附实验时也得到同样的结果。

改性后的高岭土常常具有更高的吸附能力,其中酸改方法用的较多,如Suraj G等[17]采用热-酸改性法得到的无定形高岭石的阳离子交换能力达到了天然高岭石的4倍,Jiang M Q的实验用25%的硫酸铝改性的高岭石对Pb2+的吸附能力比天然高岭石高出4倍[18]。A rias M等[19]用腐植酸对高岭石改性,得到的改性高岭石对Cu2+和Cd2+的吸附量都有很多提高。Adebo w ale K O等[20]分别用磷酸盐和硫酸盐对高岭石改性,得到的硫酸高岭石和磷酸高岭石对溶液中Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+的亲和力比天然高岭石更高,磷酸高岭石比硫酸高岭石具有更高的吸附量。吸附动力学研究得到磷酸高岭石对Pb2+的吸附是一个自发的,吸热的过程,且增加Pb2+的浓度(300~1000mg/L)可将初始吸附速率提高约10倍(1 404~13 11m g/(g m in))[21]。另外经过煅烧和酸改的高岭石比原矿大大增加了对铀离子的吸附量[22]。

1 3 海泡石

海泡石是一种纤维状多孔富镁质的硅酸盐粘土矿物,具有良好的耐腐蚀性、热稳定性、抗盐性等特性,其结构单元均为硅氧四面体和镁氧八面体交替组成,具有0 37nm 1 06nm大小的内部通道结构,这种特殊的结构使得海泡石具有较大的比表

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2期 焦 芳等:典型天然吸附剂对重金属的吸附性能研究