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污水处理中重金属离子去除
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作者:pmo988df9
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发布时间: 2019-01-05
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水体中的重金属离子主要来源于选矿、冶炼、电镀等领域。重金属具有很高的毒性、非生物降解性、生物富集性以及不能参与人体代谢等特性，如果长期饮用即使含有极微量重金属离子的水，也会导致重金属在人体中的富集，从而产生一系列的毒理反应，如肾衰竭、龈齿、肝功损坏、佝偻、神经紊乱、肿瘤等，对人体造成不可逆转的健康危害。因此，防治水体重金属污染是保证人体健康的重要要素之一。
水体中的重金属离子主要来源于选矿、冶炼、电镀等领域。重金属具有很高的毒性、非生物降解性、生物富集性以及不能参与人体代谢等特性，如果长期饮用即使含有极微量重金属离子的水，也会导致重金属在人体中的富集，从而产生一系列的毒理反应，如肾衰竭、龈齿、肝功损坏、佝偻、神经紊乱、肿瘤等，对人体造成不可逆转的健康危害。因此，防治水体重金属污染是保证人体健康的重要要素之一。
水体中重金属离子的去除方法主要有化学沉淀法、电化学法、离子交换法、生物法、吸附法等。相对于其他方法，吸附法因具有原料来源广泛、产品易得、设备操作简单、效率高、选择性高、回收利用率高、不易造成二次污染等优点而备受关注。在吸附法中，吸附剂是去除重金属离子的决定性因子。在众多的吸附剂中，高分子材料以其具有的原料丰富、产品类型多变、功能官能团含量高、易分离、易保存等特点而被广泛使用，在水体重金属离子的去除中占有重要地位。对此，笔者对各类高分子材料在水体重金属离子去除中的研完进展进行了综述。
1、天然/半合成高分子材料在重金属吸附中的研究进展
1.1纤维素类吸附剂
纤维素是自然界中含量最丰富的天然高分子材料，主要来源于棉花、植物茎干、果实外壳等，价格低廉。作为吸附剂，纤维素是一种无毒、无污染、可降解的材料；甚于其含有大量的羟基，可通过多种化学反应（如酯化、醚化、交联、接枝等）引入新的化学活性基团来提高纤维素的吸附性能。因此，基于纤维素的高分子材料吸附剂在重金属离子的去除中占有重要地位。
作为重金属离子吸附剂，纤维素及其衍生物主要通过以下几种方式实现对重金属离子的吸附：
（1）将植物中提取出的纤维素直接用作吸附剂。这种方法往往由于纤维素中仅存在单一的基团，对重金属离子的吸附量不高。
（2）通过化学反应，将纤维素表面的羟基部分转化为羟肟基、借胺肟基、羧甲基等，使表面的官能团多样化，从而增强对重金属离子的吸附甚至选择性吸附。
（3）将带有特殊官能团的单体（丙烯酸、二乙烯三胺、甲基丙烯酸二甲胺基乙酯等）接枝在纤维素表面，从而引入大量能与重金属离子结合的官能团。
（4）直接将纤维素浸于甘氨酸、二乙三胶五乙酸等物质的溶液中，经过一定时间的反应，制得甘氨酸、二乙三胺五乙酸等物质修饰的纤维素。这是纤维素改性中最简单的方法，可以实现同时对多种重金属离子的高效吸附。
1.2木质素类吸附剂
木质素是产量仅次于纤维素的天然高分子材料，是最丰富且能从可再生资源中获得的芳香族化合物，也是世界上最复杂的天然高分子材料之一。它是由苯基丙烷单元通过醚键和碳-碳键连接而成的高分子化合物，含有大量的甲氧基、羟基和炭基等能与重金属离子结合的功能官能团，并且存在酚型和非酚型的芳香环，其侧链和芳香核均可进行接枝、酯化、醚化等多种化学反应[5]。作为一种原料丰富、无毒、清洁、廉价、富含言能团的材料，木质素或木质素基吸附剂具有很高的研究与开发价值。
1.2木质素类吸附剂
木质素是产量仅次于纤维素的天然高分子材料，是最丰富且能从可再生资源中获得的芳香族化合物，也是世界上最复杂的天然高分子材料之一。它是由苯基丙烷单元通过醚键和碳-碳键连接而成的高分子化合物，含有大量的甲氧基、羟基和炭基等能与重金属离子结合的功能言能团，并且存在酚型和非酚型的芳香环，其侧链和芳香核均可进行接枝、酯化、醚化等多种化学反应[5]。作为一种原料丰富、无毒、清洁、廉价、富含言能团的材料，木质素或木质素基吸附剂具有很高的研究与开发价
1.3壳聚糖类吸附剂
壳聚糖是甲壳素脱乙酰基后的产物，是自然界中存在的唯——种碱性多糖。壳聚糖分子中存在着的大量-OH和-NH2，其与重金属离子有较强的结合能力，因此，壳聚糖在重金属离子吸附方面有着广阔的应用前景。但壳聚糖是一种线性高分子材料，通常机械强度较低，在酸性条件下易质子化而影响其吸附效果，且对重金属离子的选择性不高。因此，通常将壳聚糖与其他物质交联，或通过化学改性来克服以上缺点，从而扩大其应用范围。
2、合成高分子材料在重金属吸附中的研究进展
合成高分子材料是人类社会文明的标志之一，至今已合成了上万种高分子材料。合成的高分子材料通常含有很多的功能官能团，可分别与多种金属离子以共价键、离子键、范德华力结合，因此，合成高分子材料被广泛应用于水体中重金属离子的去除。
2.1脂肪族聚合物吸附剂
聚氨酯、聚氢乙烯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯等脂肪族聚合物含有各自的功能官能团，可以作为吸附剂或吸附剂载体，同时也可通过各类化学反应进行改性，最终被制成各类树脂、离子交换膜等应用于水体重金属离子的去除中。脂肪族聚合物作为吸附剂在重金属离子去除中的应用在国内外已有大量报道。
2.2芳香族聚合物吸附剂
2.2.1苯环类聚合物吸附剂
苯环类聚合物中最常见的2种用于去除重金属离子的物质是聚苯乙烯和聚苯胶。在重金属离子吸附中，聚苯乙烯因为其聚合条件及工艺简单，结构稳定，通常被用作骨架，将一些对重金属离子有较强吸附作用的物质负载在其表面，或直接对其表面进行官能团改性。
2.2.2杂环类聚合物吸附剂
杂环类聚合物含有大量的N、O或S基团，而这一类基团在重金属离子吸附中起着决定性的作用。因此，杂环类聚合物被逐渐用于对各类重金属离子的去除，且都具有较高的吸附量。
3、展望
吸附法是治理水体重金属污染的重要方法，为了增强其实用性，未来还需要制备出具有吸附量高、选择性强、重复利用率高以及更快速的吸附剂。如利用高分子材料稳定的结构和化学性质来提高吸附剂的重复利用率；将高分子材料与其他无机、有机材料复合制成具有高比表面积、高吸附量的吸附材料通过控制高分子材料的合成条件及言能团的种类与数量，或利用分子印迹技术和离子通道技术，实现对重金属离子的高选择性及快速吸附，从而实现以最简单、有效的方法达到重金属资源的最大化利用。这些都将使高分子材料在吸附法去除重金属离子中具有很高的开发潜力及应用价值。
水体中重金属离子的去除方法主要有化学沉淀法、电化学法、离子交换法、生物法、吸附法等。相对于其他方法，吸附法因具有原料来源广泛、产品易得、设备操作简单、效率高、选择性高、回收利用率高、不易造成二次污染等优点而备受关注。在吸附法中，吸附剂是去除重金属离子的决定性因子。在众多的吸附剂中，高分子材料以其具有的原料丰富、产品类型多变、功能官能团含量高、易分离、易保存等特点而被广泛使用，在水体重金属离子的去除中占有重要地位。对此，笔者对各类高分子材料在水体重金属离子去除中的研完进展进行了综述。
1、天然/半合成高分子材料在重金属吸附中的研究进展
1.1纤维素类吸附剂
纤维素是自然界中含量最丰富的天然高分子材料，主要来源于棉花、植物茎干、果实外壳等，价格低廉。作为吸附剂，纤维素是一种无毒、无污染、可降解的材料；甚于其含有大量的羟基，可通过多种化学反应（如酯化、醚化、交联、接枝等）引入新的化学活性基团来提高纤维素的吸附性能。因此，基于纤维素的高分子材料吸附剂在重金属离子的去除中占有重要地位。
作为重金属离子吸附剂，纤维素及其衍生物主要通过以下几种方式实现对重金属离子的吸附：
（1）将植物中提取出的纤维素直接用作吸附剂。这种方法往往由于纤维素中仅存在单一的基团，对重金属离子的吸附量不高。
（2）通过化学反应，将纤维素表面的羟基部分转化为羟肟基、借胺肟基、羧甲基等，使表面的官能团多样化，从而增强对重金属离子的吸附甚至选择性吸附。
（3）将带有特殊官能团的单体（丙烯酸、二乙烯三胺、甲基丙烯酸二甲胺基乙酯等）接枝在纤维素表面，从而引入大量能与重金属离子结合的官能团。
（4）直接将纤维素浸于甘氨酸、二乙三胶五乙酸等物质的溶液中，经过一定时间的反应，制得甘氨酸、二乙三胺五乙酸等物质修饰的纤维素。这是纤维素改性中最简单的方法，可以实现同时对多种重金属离子的高效吸附。
1.2木质素类吸附剂
木质素是产量仅次于纤维素的天然高分子材料，是最丰富且能从可再生资源中获得的芳香族化合物，也是世界上最复杂的天然高分子材料之一。它是由苯基丙烷单元通过醚键和碳-碳键连接而成的高分子化合物，含有大量的甲氧基、羟基和炭基等能与重金属离子结合的功能官能团，并且存在酚型和非酚型的芳香环，其侧链和芳香核均可进行接枝、酯化、醚化等多种化学反应[5]。作为一种原料丰富、无毒、清洁、廉价、富含言能团的材料，木质素或木质素基吸附剂具有很高的研究与开发价值。
1.2木质素类吸附剂
木质素是产量仅次于纤维素的天然高分子材料，是最丰富且能从可再生资源中获得的芳香族化合物，也是世界上最复杂的天然高分子材料之一。它是由苯基丙烷单元通过醚键和碳-碳键连接而成的高分子化合物，含有大量的甲氧基、羟基和炭基等能与重金属离子结合的功能言能团，并且存在酚型和非酚型的芳香环，其侧链和芳香核均可进行接枝、酯化、醚化等多种化学反应[5]。作为一种原料丰富、无毒、清洁、廉价、富含言能团的材料，木质素或木质素基吸附剂具有很高的研究与开发价
1.3壳聚糖类吸附剂
壳聚糖是甲壳素脱乙酰基后的产物，是自然界中存在的唯——种碱性多糖。壳聚糖分子中存在着的大量-OH和-NH2，其与重金属离子有较强的结合能力，因此，壳聚糖在重金属离子吸附方面有着广阔的应用前景。但壳聚糖是一种线性高分子材料，通常机械强度较低，在酸性条件下易质子化而影响其吸附效果，且对重金属离子的选择性不高。因此，通常将壳聚糖与其他物质交联，或通过化学改性来克服以上缺点，从而扩大其应用范围。
2、合成高分子材料在重金属吸附中的研究进展
合成高分子材料是人类社会文明的标志之一，至今已合成了上万种高分子材料。合成的高分子材料通常含有很多的功能官能团，可分别与多种金属离子以共价键、离子键、范德华力结合，因此，合成高分子材料被广泛应用于水体中重金属离子的去除。
2.1脂肪族聚合物吸附剂
聚氨酯、聚氢乙烯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯等脂肪族聚合物含有各自的功能官能团，可以作为吸附剂或吸附剂载体，同时也可通过各类化学反应进行改性，最终被制成各类树脂、离子交换膜等应用于水体重金属离子的去除中。脂肪族聚合物作为吸附剂在重金属离子去除中的应用在国内外已有大量报道。
2.2芳香族聚合物吸附剂
2.2.1苯环类聚合物吸附剂
苯环类聚合物中最常见的2种用于去除重金属离子的物质是聚苯乙烯和聚苯胶。在重金属离子吸附中，聚苯乙烯因为其聚合条件及工艺简单，结构稳定，通常被用作骨架，将一些对重金属离子有较强吸附作用的物质负载在其表面，或直接对其表面进行官能团改性。
2.2.2杂环类聚合物吸附剂
杂环类聚合物含有大量的N、O或S基团，而这一类基团在重金属离子吸附中起着决定性的作用。因此，杂环类聚合物被逐渐用于对各类重金属离子的去除，且都具有较高的吸附量。
3、展望
吸附法是治理水体重金属污染的重要方法，为了增强其实用性，未来还需要制备出具有吸附量高、选择性强、重复利用率高以及更快速的吸附剂。如利用高分子材料稳定的结构和化学性质来提高吸附剂的重复利用率；将高分子材料与其他无机、有机材料复合制成具有高比表面积、高吸附量的吸附材料通过控制高分子材料的合成条件及言能团的种类与数量，或利用分子印迹技术和离子通道技术，实现对重金属离子的高选择性及快速吸附，从而实现以最简单、有效的方法达到重金属资源的最大化利用。这些都将使高分子材料在吸附法去除重金属离子中具有很高的开发潜力及应用价值。
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