随着社会经济的快速发展，水环境污染问题日益严重，水体重金属污染问题尤为突出。目前，重金属污水的处理方法主要有化学沉淀法、氧化还原法、离子交换法、电化学法、膜分离法和吸附法等，它们各自有其优缺点。吸附法在水体重金属污染治理领域有其特殊的优势，如操作简单、材料来源广泛和适用范围广等，其中，吸附材料是影响吸附法处理水体重金属污染的关键因素。综述了各种吸附材料在处理重金属污水方面的研究进展，在此基础上，对吸附法处理重金属污水的应用前景进行了展望。
关键词:
水体重金属污染; 吸附; 壳聚糖; 水环境污染; 处理方法
众所周知，水是一切动植物、微生物以及人类赖以生存的最重要资源之一。然而，随着工业的快速发展和人口的急剧增长，水环境污染已成为一个全球性问题。近年来，随着化肥、皮革、电镀、采矿、纺织等行业的快速发展，大量含有重金属的废水违规排放，使得大量重金属进入河流等水体。重金属通常指密度 ρ≥5 g /cm3、相对原子质量 Ar 为 63． 5 ～200． 6 的 金 属 元 素，主 要 指 汞 ( Hg ) 、镉 ( Cd) 、铅( Pb) ，以及类金属砷( As) 等元素。重金属具有毒性、不可降解性以及生物富集性等特点。排入水体的重金属会通过饮用或食物链富集作用对人类的生存和健康产生巨大危害。目前，重金属在世界各国均被列为优先关注的污染物，如何预防和治理水体重金属污染成为水处理领域的重要任务。
1 水体重金属污染的治理方法
目前，水体重金属污染的治理方法有很多，主要分为物理化学法和生物法两大类。物理化学法包括蒸发、化学沉淀、氧化还原、电化学、膜过滤、离子交换和吸附等方法。生物法主要包括植物修复法、生物絮凝法和生物吸附法。各种重金属处理方法均具有优点和缺点，如化学沉淀法广泛应用于废水中重金属的去除，但会产生大量含有重金属的污泥; 膜过滤方法可以去除金属离子，但由于成本较高，使其应用受到限制。
表1 概括了几种常用于治理水体重金属污染的方法及其优缺点。由表 1 可看出，传统化学法和物理化学法具有处理效率较高的优势，但是它们均存在处理成本高和二次污染等问题; 生物法的处理成本最低，但存在处理周期长、受季节条件影响大等问题。因此，应该针对重金属污染水体的水质特征和处理要求，综合考虑处理方法的适用性、处理效果、处理成本、处理速率和时间以及对环境影响程度等因素，选择合适的处理方法处理重金属污染水体。
2 吸附法处理水体重金属污染的研究进展
吸附法具有操作简便、吸附材料来源广泛、适用范围广等特点，因此，被认为是最为有效和最有前景的水污染处理方法之一。其中，吸附材料是影响吸附法处理重金属废水的关键因素。目前，开发廉价、高效、可回收的新型吸附材料是国内外环境保护领域的一个研究热点。
2． 1 无机吸附材料
2.1.1 活性炭
活性炭是以煤炭、木材、椰壳、胡桃壳以及农业废弃物、废弃轮胎等为原料，经高温炭化和活化等工艺而得到的一种碳材料。活性炭具有发达的孔隙结构和较大的比表面积，使得其对重金属具有较强的吸附能力。因此，活性炭被广泛应用于重金属污染的治理中。BOHLI T 等以橄榄石为原料合成活性炭，用于去除水溶液中的 Cu2 + 、Ni2 + 和Pb2 + 。PAP S 等以樱桃内核为原料，利用热化学转化法制备了具有高表面积和高孔隙度的活性炭，用于去除水溶液中的 Pb2 + 、Cd2 + 和 Ni2 + 。
2.1.2 黏土矿物
黏土是一种存在于地球表面的小颗粒，主要由二氧化硅、氧化铝、水和风化岩石组成。黏土指的是粒径小于 2 μm、具有和矿物质相似化学成分和共同晶体结构特征的材料。黏土按其性质可分为蒙脱石、皂石、云母、高岭石、蛭石、蛇纹石、叶蜡石、海泡石等。各种黏土和黏土矿物是去除水溶液中有毒金属离子的有效吸附剂，在环境治理中发挥着重要作用。黏土作为吸附剂具有成本低、比表面积大、吸附性能好、无毒等优点，且黏土表面含有可交换的阳离子和阴离子，天然或改性黏土材料作为吸附剂，在水处理领域是世界各国关注的焦点。
2.1.3 硅胶材料
由于硅胶材料具有优异的热稳定性、机械稳定性、较大表面积和良好表面性能，常用于对金属离子的富集和去除。近年来，已有很多研究通过对硅胶化学改性来提高硅胶的物理化学性能。硅胶表面化学基团对其吸附容量、吸附选择性和可重用性有着重要影响。如 CHOI J M 等在硅胶表面成功接枝了末端烷基单分子层，可高效吸附去除水中的 Hg离子; 结果表明，该烷基功能化硅胶材料可有效去除水溶液中的 Hg2 + ，其最大吸附容量为 174． 3 mg /g。
2． 2 天然高分子吸附材料
2.2.1 纤维素基吸附材料
纤维素是一种广泛存在于自然界的天然高分子化合物，是由 β － 1、4 苷键将 D － 吡喃葡萄糖连接而成的多糖物质。纤维素是一种可生物降解、可再生、不可溶解的聚合物。天然纤维素的吸附能力较改性纤维素的低，通常可以通过化学改性来提高其吸附能力。WU Z 等研究了硫醇功能化棉、木屑和荞麦壳 3 种吸附剂，并研究了改性材料对葡萄糖溶液中 Pb2 + 的吸附性能; 结果发现，未改性棉 对Pb2 + 的吸附能力为 10． 78 mg /g，而硫醇改性棉对Pb2 + 的吸附能力为 28． 67 mg /g。
2.2.2 壳聚糖基吸附材料
壳聚糖是一种天然碱性氨基多糖，是甲壳素的脱乙酰产物，也是甲壳素最重要的衍生物。由于壳聚糖含有的大量羟基和氨基等基团，能够与重金属离子结合形成金属螯合物。因此，壳聚糖常作为一种吸附剂用于去除水中的重金属。目前，常见的壳聚糖基吸附材料主要有壳聚糖基颗粒、壳聚糖基树脂、壳聚糖基水凝胶、壳聚糖基膜材料以及其他壳聚糖基吸附材料( 如壳聚糖涂覆材料等) 。BASSI Ｒ 等利用商业壳聚糖片作为吸附剂去除水溶液中 Zn2 + 、Cu2 + 、Cd2 + 和 Pb2 + ; 结果发现，壳聚糖对金属离子的去除效果与溶液中的pH 值有很大关系，最佳 pH 值为 6． 0 ～ 7． 0，对金属离子的去除能力由强到弱的顺序 依 次 为: Cu2 + 、Pb2 + 、Cd2 + 、Zn2 + 。
2.2.3 淀粉基吸附材料
淀粉是贮存于植物果实、种子、块茎和根中的多糖，是地球上来源广泛、价格低廉、环境友好的天然可再 生 绿 色 资 源。淀粉基吸附材料主要有两性、阴离子和阳离子淀粉吸附材料以及淀粉基复合吸附材料等。阴离子淀粉吸附剂对于大部分重金属离子是一种很好的吸附材料。HAN H 等利用交联阳离子淀粉去除 Pb2 + 、Cu2 +和 Cr3 + ，当金属离子初始浓度为 50 mg /L 时，去除率分别为 97． 94% 、99． 46% 和 84． 30% 。
2.2.4 木质素基吸附材料
木质素是一种广泛存在于植物体中的天然芳香族可再生资源。原木质素中的 － OH、－ C = O 和－ COOH等活性官能团对重金属离子具有潜在的吸附能力。此外，通过对木质素进行修饰改性得到木质素基复合吸附剂，提高了木质素对金属离子的去除效率。GUO X 等考察了木质素吸附纸浆黑液中的重金属离子的效果，结果表明，木质素对金属离子的吸附能力由强到弱的顺序为: Pb2 + 、Cu2 + 、Cd2 + 、Zn2 + 、Ni2 + 。
2． 3 生物吸附材料
近年来，生物吸附法是一种新型的、经济有效的废水重金属去除方法。生物吸附法是指生物体内具有特定类型的生物分子，能够吸附和富集水溶液中的某些离子。生物吸附过程主要依赖溶液中的金属离子与生物吸附剂之间的亲合力。生物材料分为生命体生物材料和非生命体生物材料。
2.3.1 细菌
细菌是一种新型生物吸附材料。近年来，许多研究利用有生命或无生命的细菌作为生物吸附剂去除水体中的重金属。例如用于去除废水中重金属的芽孢杆菌、假单胞菌等。SAＲANYA K 等研究了磷酸盐溶菌( PSB) 对多种重金属的生物吸附，证明了 PSB 菌产生的胞外多糖在生物吸附中起重要作用。王亚雄等利用污泥中的 5 株菌对重金属离子进行吸附试验研究，试验结果显示，类产碱假单胞菌和藤黄微球菌对 Cu2 + 和 Pb2 + 的吸附能力最强。细菌对铅离子的吸附过程包含两个阶段: ①Pb2 + 与细菌表面官能团的络合过程; ②离子向细菌内部的扩散过程。
2.3.2 藻类
藻类是一种可再生的天然生物质，因其在自然界中普遍存在而被广泛地用作去除有毒重金属的生物吸附剂。藻类对各种重金属的去除具有不同的亲和力。ABDEL-ATY A M 等利用未经任何改性处理的蓝藻去除水溶液中 Cd 和 Pb。通过离心装置分离培养的藻类，经蒸馏水彻底洗涤和经烘箱干燥，将干燥的生物质磨碎，再经 0． 2 mm 筛筛选。结果发现，在最佳吸附条件下，藻类对镉和铅的最大吸附能力分别为111． 1 mg /g和 121． 9 mg /g。MOGHADDAM M Ｒ 等用经氯化钙预处理的褐藻、囊藻对水溶液中的铅进行去除。
2． 4 工业废弃物
2.4.1 飞灰
飞灰作为一种新型吸附剂，在废水处理中具有很好的应用前景。飞灰的性能取决于其来源和后续的化学处理。飞灰由二氧化硅( 60% ～ 65% ) 、氧化铝( 25% ～ 30% ) 、磁铁矿和镁土( 6% ～ 15% ) 等组成。一般情况下，通过物理和化学方法处理来提高原飞灰的吸附能力。
2.4.2 炉渣
高炉矿渣是炼钢过程中产生的一种废渣。近年来，高炉矿渣在废水处理中的应用得到了广泛的研究和应用。DIMITＲOVA S V研究发现，高炉矿渣对铜、锌、镍离子有较好的吸附效果，炉渣对金属离子的吸附主要靠形成氢氧络合物来实现的。NEHＲENHEIM E 等研究了炉渣对 Cu2 + 、Ni2 + 、Zn2 + 、Pb2 +和 Cr2 + 的吸附性能。
3 结语
高效治理水体重金属污染是当今环境保护的热点和紧要任务。化学沉淀法、电化学法、离子交换法以及吸附法都有各自的优缺点。吸附法因其具有操作简单、处理效率高、适用范围广等优点受到了广泛关注。吸附材料是影响吸附法处理重金属污水的重要因素，目前实际使用的吸附材料普遍存在成本高或具有二次污染的问题。因此，开发廉价、高效且环境友好的新型吸附材料是未来吸附研究的重要方向。
原标题：吸附法处理水体重金属污染的研究进展
原作者：牛耀岚 吴曼菲 胡湛波
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