重金属处理技术及秸杆类农作物作为吸附剂的研究进展

　　水是人类赖以生存和发展的物质基础，维系着整个社会的进步。中国水资源总量居世界第6位，但人均水量约为世界人均水量的1/4，是水资源严重不足的国家之一，预计到2010年总缺口将达到1140亿吨[1]。
　　近年来随着工业生产和城市现代化水平发展，冶金、机械、电镀、制革、医药、染料、化工等工业所排放的“三废”日益增多，水源中重金属积累加剧，由于重金属离子不能够被微生物降解，而且容易通过生物链传入人体，不易去除，所以重金属污染对生态环境和人类健康的影响日益严重。因此含有重金属废水的处理已得到工业界与学术界越来越多的重视。
　　1重金属离子的去除方法
　　目前，处理工业废水中的重金属离子的主要方法有光催化还原法、化学沉淀法、膜分离法、电化学法、吸附法等，其中吸附法应用最为广泛。
　　1.1光催化还原法
　　光催化还原法是一种环境友好型水处理方法，利用光催化剂表面的光生电子或空穴等活性物种，通过还原反应去除重金属。目前，光催本文由论文联盟http://收集整理化法降解废水中的重金属大多还处于实验研究阶段，最常用的光催化剂是tio2。光催化的氧化还原的过程通常可以描述如下：溶液中的金属离子捕获tio2导带上受光激发产生的电子被还原，溶液中的水或有机污染物被tio2价带上受光激发产生的空穴氧化。氧化还原反应的过程可以表达如下[2]：
　　光催化还原法耗能低、无毒性、选择性好、常温常压、快速高效，在重金属废水处理中前景广阔且日益受到重视，但从实际应用的角度出发光催化法还存在着许多问题，如重金属离子在光催化剂表面的吸附率低，光催化剂的吸光范围窄等。wwW.11665.coM
　　1.2化学沉淀法
　　化学沉淀法是传统的重金属离子处理技术，包括中和沉淀法、硫化物沉淀法、钡盐沉淀法和铁氧体共沉淀法等。向重金属废水中投加碱中和剂，使废水中的重金属形成溶解度较小的氢氧化物或碳酸盐沉淀而去除。含铜、镉、铬、铅等废水均可采用此法处理。化学沉淀法是工艺较成熟的方法，它具有去除范围广、效率高、经济简便的特点，但需要投加大量的化学试剂，并以沉淀物的形式沉淀出来，存在二次污染问题。
　　1.3膜分离法
　　膜分离技术是利用一种特殊的半透膜，在外界压力作用下，不改变溶液中化学形态的基础上，将溶剂和溶质进行分离或浓缩的方法。膜技术包括反渗透、超滤、电渗析、液膜和渗透蒸发等。膜分离法分离快、耗能少、重金属资源可回收，但造价昂贵，不能大量工业化应用，也存在使用过程中膜的污染和膜通量下降问题。随着膜技术在废水领域中不断的深入研究，膜分离技术处理重金属废水将是今后的发展趋势。
　　1.4电化学法
　　电化学法是指应用电解的基本原理，使废水中的重金属通过电解，在阳、阴两极上分别发生氧化还原反应使重金属富集的方法。按照阳极类型的不同，电解法可分为电解沉淀法和回收重金属电解法。其中电解沉淀法主要用于含铬工业废水的治理，一般采用铁板作为阴极和阳极，在直流电作用下，铁阳极不断溶解，产生的亚铁离子在酸性条件下将六价铬还原成三价铬，随着反应进行，氢离子的浓度逐渐降低，溶液从酸性变为碱性，使cr3+生成氢氧化物沉淀。电化学法工艺成熟，设备简单，占地面积小，无二次污染，所沉淀的重金属可回收利用；缺点是耗电量大，废水处理量小，出水水质差，不适合处理低浓度废水。
　　1.5吸附法
　　吸附法主要是利用具有高比表面积或表面具有高空隙结构的物质，吸附去除重金属的方法。吸附法操作简单，吸附材料种类多样，因而应用最为广泛。目前常用的吸附剂为活性炭，但活性炭价格高。所以，为降低吸附法废水处理的成本，需要寻找地产的、可更新的及低成本材料作为吸附剂，一些廉价的农作物材料已被直接用做废水处理的吸附剂，如苹果渣、麦草、桔子皮、香蕉皮、大麦皮、玉米茎杆、碎木片及树皮等。
　　2农作物秸秆的综合利用
　　农作物秸秆是一种生物质资源，是当今世界上仅次于石油、煤炭、天然气的第4大能源[3]。我国是农业大国，也是秸秆资源最为丰富的国家之一，每年生产6.4亿多吨的秸秆[4]。随着人们对环境保护和再生资源有效利用的重视，农作物秸秆资源的利用越来越受到世界各国的关注[5]，科技进步也为秸秆的利用开辟了新途径和新方法。
　　2.1农作物秸秆的化学组成
　　农作物秸秆是由大量的有机物和少量的无机物以及水所组成的，其有机物的主要成分是纤维素类的碳水化合物，此外还有少量的粗蛋白质和粗脂肪。碳水化合物又由纤维素类物质和可溶性糖类组成。纤维素类物质是植物细胞壁的主要成分，它包括纤维素、半纤维素和木质素等。几种农作物秸秆的化学组成见表1[6]。
　　从上表中可以看出，农作物秸秆主要由粗纤维组成，然而粗纤维包含丰富的纤维素、半纤维素和木质素等多聚物，具有一定的比表面积和吸附能力，因此农作物秸秆是一种较好的重金属吸附材料。
　　2.2国内外农作物秸秆的综合利用现状
　　作为一种生物质资源，农用秸秆含有丰富的营养和可利用的化学成分。目前国内外农作物秸秆的利用按用途大致分为4类：一是作为农业肥料，主要作为农业生产有机肥；二是牲畜饲料，主要是作草食动物饲料；三是直接燃料或生物质能源；四是工业原料，主要用于造纸；其余秸秆被闲置浪费或就地焚烧[7]。

　　由于农用秸秆含有可观的纤维素成分，目前将一部分农用秸秆经过简单预处理制备农用高吸水性树脂，不仅使天然资源得到有效利用，还可以降低高吸水性树脂的成本，增加高吸水性树脂的复合功能，从而更容易在农业中推广[8]。国外已对一些农业废弃物如稻壳[9]、榛果壳、锯末、杏树皮[10]等改性制备成离子吸附剂。
　　2.2.1农作物秸秆原状吸附性能
　　农作物秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素3大部分组成，因此秸秆具有一定的比表面积和吸附能力。
　　李荣华等以玉米秸秆粉为吸附剂，讨论了玉米秸秆粉对cr（vi）的去除率、体系初始ph值、吸附剂用量和温度等对水溶液中cr（vi）吸附的影响。结果表明，向50ml浓度为50mg/l的cr（vi）溶液中加入0.5g玉米秸秆粉，于25℃、200r/min、ph=1.0的条件下恒温震荡3h，玉米秸秆粉对溶液中cr（vi）的去除率达97.77%，在298k时最大吸附量为14.46mg/g。v.b.h. dang等利用小麦秸秆为吸附剂，考察了对cd2+和cu2+的吸附性能，结果表明，在初始浓度为50mg/l，2.5h内可以去除80%，3.5h达到吸附平衡时可去除87%。可见农作物秸秆可以直接作为重金属离子吸附剂使用，而且具有较好的吸附性能。
　　2.2.2农作物秸秆改性后的吸附性能
　　原状农作物秸秆作为吸附剂时会带来一些问题，例如，低的吸附性能，较高的化学需氧量（cod），以及较高的生化需氧量（bod）。因此，作为重金属离子吸附剂之前，应该经过化学或物理改性，改性后具有耐久性结构，提高离子交换性能，增加应用价值，改善其对阳离子、重金属以及有机物的吸附效果，具有吸附容量大、吸附速度快、易洗脱、应用范围广等优点，这已成为新的研究方向。
　　runping han等通过柠檬酸改性小麦秸秆，考察了其对cu2+的吸附性能，结果表明，在293k时最大吸附量为39.17mg/g，比改性前有较大提高。姜玉等通过用三氯氧磷对甘蔗渣进行改性，制备了含有强吸附能力的磷酸基团的甘蔗渣吸附剂，用静态吸附法研究了磷酸化甘蔗渣对pb2+、cu2+、cr3+的吸附动力学。结果表明，甘蔗渣吸附剂对离子吸附动力学与二级吸附动力学模型有较高的一致性，吸附性能有较大的改善。
　　3结论
　　开发利用秸秆作为去除重金属离子的吸附剂是一项提高农村经济效益、增加农民收入、保护农村生态环境的新技术。吸附法处理重金属废水具有高效、简便和选择性好等优点，特别是对低浓度、污染性强，其他方法难以有效处理的重金属废水具有独特的应用价值。但目前工业上使用的吸附剂价格昂贵，广泛应用受到限制，开发廉价、高效的吸附剂将是吸附研究的一个重要方向，同时吸附剂的再生和二次污染也是吸附法处理重金属废水中应该着重考虑的问题。随着吸附法在废水领域研究的进一步深入，对这些控制因素的解决，将会使吸附法进入新的阶段。