固體吸附劑對重金屬元素吸附脫除的研究.doc

固體吸附劑對重金屬元素吸附脫除的研究李宇輝（華南師范大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院 廣東 廣州 510000）摘要：固體吸附劑對重金屬的排放具有吸附作用,并且吸附劑對不同的重金屬元素的吸附有選擇性。吸附劑吸附重金屬元素是通過物理吸附和化學(xué)吸附,其中它們在吸附過程中是共存的。通過添加固體吸附劑來抑制重金屬的排放被廣泛認(rèn)為是一項(xiàng)有前景的技術(shù)。本文主要以燃煤飛灰和活性污泥兩種固體吸附劑為例，探究固體吸附劑對重金屬元素的吸附機(jī)理和對不同對象的吸附效果。關(guān)鍵詞：固體吸附劑 重金屬 燃煤飛灰 活性污泥現(xiàn)在的很多工業(yè)部門，在其生產(chǎn)過程產(chǎn)生的廢氣、廢水中，都會含有或多或少的重金屬元素。這些重金屬元素如果不經(jīng)過處理而直接排放，不僅會嚴(yán)重污染大氣和水體，造成生態(tài)破壞，而且會通過各種途徑在人體內(nèi)富集，對人體會產(chǎn)生長期的、不可想象的危害。因此，研究出一種對重金屬元素有良好吸附脫除作用的吸附劑有非常重要的意義。通過添加固體吸附劑來抑制重金屬的排放被廣泛認(rèn)為是一項(xiàng)有前景的技術(shù)。在不同的環(huán)境下，對不同的吸附對象要用不同的固體吸附劑，下面來舉兩個(gè)例子： 燃煤飛灰對廢氣中重金屬元素的吸附煤是我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比重最大的燃料。煤中的痕量重金屬元素，在煤燃燒過程中，隨著溫度的升高，痕量元素如Hg、Pb、Cr、Cd等會揮發(fā)出來并附著在亞細(xì)微米顆粒上，隨之排入大氣中，對生態(tài)環(huán)境和人體造成危害。亞細(xì)微米顆粒在大氣中主要以氣溶膠形式存在，不易沉降，其化合物不易被微生物降解，可以在人體內(nèi)沉積，并可以轉(zhuǎn)化為毒性很大的有機(jī)化合物?，F(xiàn)有的除塵設(shè)備對直徑小于1m的顆粒的捕獲效率不是很大，目前比較經(jīng)濟(jì)有效的方法是采用固體吸附劑對其進(jìn)行控制，以減少金屬揮發(fā)的數(shù)量和捕獲揮發(fā)的金屬蒸氣。這種方法是通過物理吸附和化學(xué)反應(yīng)固定痕量金屬化合物,并將它們轉(zhuǎn)化為對環(huán)境無害的形式。國內(nèi)外研究表明，固體吸附劑對煙氣中的金屬蒸氣的清除非常有效。1 煤燃燒過程中生成的飛灰實(shí)際上是一種吸附痕量重金屬的固體吸附劑,而飛灰結(jié)構(gòu)和組分，灰中含碳量以及煙氣溫度等因素對飛灰吸附脫除痕量重金屬有不同的影響。研究表明,這種吸附脫除機(jī)理是一種復(fù)雜的物理吸附和化學(xué)反應(yīng)及化學(xué)吸附的組合,飛灰本身的結(jié)構(gòu)特性和化學(xué)組分對痕量元素的吸附影響很大,煙溫也是關(guān)鍵的影響因素,而灰中含碳量對其影響很小。2 煤中的痕量重金屬元素在高溫下從煤中釋放出來,一部分汽化后呈氣態(tài)存在,在煙氣逐漸降溫的過程中,痕量元素蒸氣會形成很小的氣溶膠基核,并在其周圍的灰粒上凝結(jié)富集,其凝結(jié)的數(shù)量與痕量元素的揮發(fā)性及灰粒比表面積的大小有很大關(guān)系,而痕量元素的揮發(fā)性是與痕量元素在煤中的賦存形態(tài)以及燃燒工況(主要是溫度和氣氛) 等因素有關(guān);灰粒比表面積的大小則與灰粒粒徑和孔隙結(jié)構(gòu)特性因素有關(guān)。這些因素均表現(xiàn)出物理吸附的特征。實(shí)際上,對于痕量元素,除了物理吸附外,還存在著化學(xué)吸附。這是由于灰粒含有多種礦物質(zhì)組分,包括多晶體的聚合物、非晶體和玻璃狀礦物質(zhì),其主要成分(表1) 為K、Na 、Ca 、Si 、Fe 、Al 和Ti 等,主要以氧化物、硅酸鹽和鋁硅酸鹽形式存在。當(dāng)然,灰粒里面還存在一些痕量元素,一般都以非水溶性形態(tài)存在于硅酸鹽和鋁硅酸鹽晶格上。這些礦物質(zhì)組分在一定溫度條件下可以和痕量元素蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),以新的化合物吸附在灰粒上。顯然,這種化學(xué)吸附與痕量元素物理化學(xué)性質(zhì)、灰中礦物組分以及煙溫等因素有關(guān)。3華中科技大學(xué)的許綠絲等人通過對小龍?zhí)逗置汉推巾斏綗熋簝蓚€(gè)地方的煤樣在馬弗爐中燃燒，并采用美國熱電儀器系統(tǒng)公司生產(chǎn)的痕量掃描等離子體發(fā)射光譜儀( ICP AES) 測定灰中痕量元素，得出以下結(jié)論：(1) 飛灰本身的結(jié)構(gòu)特性和化學(xué)組分對痕量元素的吸附影響很大,其中煙煤灰對Cd 的吸附量要高于褐煤灰,褐煤灰則對Se 吸附量更大。(2) 煙溫是影響痕量元素吸附脫除的關(guān)鍵參數(shù),對于Cd 元素,溫度高則吸附脫除量大,但對Se 則不然。(3) 飛灰含碳量對Cd 的吸附影響不大;對揮發(fā)性較強(qiáng)的Se 有一定影響,其吸附脫除量隨含碳量增加而有少量增加。4 活性污泥對廢水中重金屬元素的吸附由于種種原因,城市生活污水中含有一定量的重金屬,這些重金屬在處理過程中如何變化,在污水和污泥中如何分布,有哪些重要因素影響它們的行為,都是值得研究的問題. 針對我國城市生活污水的水質(zhì)和成分,研究活性污泥法在不同條件下處理城市生活污水過程中重金屬的行為,可以為污水處理過程中條件的控制和污泥的處理提供理論依據(jù). 影響活性污泥對重金屬的去除的影響因子主要可分為操作參數(shù)、物理或化學(xué)因子、生物因子. 其中操作參數(shù)有:SVI(污泥體積指數(shù)) 、有機(jī)負(fù)荷、泥齡、MLSS、DO、吸附時(shí)間、馴化程度等。5國內(nèi)外諸多研究表明,活性污泥ECP(胞外多聚物) 能大量吸附溶液中的金屬離子,尤其是重金屬離子,它們與ECP 的絡(luò)合更為穩(wěn)定. 生物體吸收金屬離子的過程主要有兩個(gè)階段. 第一個(gè)階段是金屬離子在細(xì)胞表面的被動吸附,微生物的細(xì)胞表面主要由多聚糖、蛋白質(zhì)和脂類組成,這些組成中可與金屬離子相結(jié)合的主要官能基團(tuán)有羧基、磷?；?、羥基、硫酸脂基、氨基和酰胺基等,他們有著吸附不同重金屬離子的結(jié)合點(diǎn)位,不同價(jià)態(tài)或不同電荷的金屬離子可以在不同的點(diǎn)位與ECP 結(jié)合,如中性糖的羥基、陰離子多聚物的羥基都可能是金屬的結(jié)合位。 此階段的特點(diǎn)是速度快、時(shí)間短,緣于電荷間的相互作用,是一個(gè)物理化學(xué)過程而和生物活性無很大關(guān)聯(lián)。另一階段是活體細(xì)胞的主動吸附,即細(xì)胞表面吸附的金屬離子與細(xì)胞表面的某些酶相結(jié)合而轉(zhuǎn)移至細(xì)胞內(nèi),它包括傳輸和沉積,這一階段速度較慢,時(shí)間較長。6廣東茂名學(xué)院的譚麗泉等人通過對取自廣州市獵德污水處理廠A 段和B 段的沉淀池和廣州大坦沙污水處理廠二沉池的活性污泥樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析得出：活性污泥對Cu2+ 、Zn2+ 、Cd2+ 、Ni2+ 有良好的吸附作用,在四種離子共存時(shí),吸附順序如下:Cu2+Zn2+Cd2+Ni2+。吸附時(shí)間對重金屬的去除有較大的影響,活性污泥對重金屬吸附初期存在一個(gè)快速的過程。Cu2+在45min 時(shí)即已接近吸附的最大值。Zn2+、Cd2+、Ni2+三種離子也在振蕩15min時(shí)接近吸附的最大值。此外,Cu2+、Zn2+、Cd2+等離子在吸附過程中主要是與直徑大于8m的活性污泥顆粒結(jié)合,而Ni2+則主要和較小的污泥顆粒結(jié)合。7 事實(shí)上，固體吸附劑是一個(gè)很廣泛的概念，廢氣廢水中重金屬元素的吸附脫除原理和途徑也是多種多樣的。因此，固體吸附劑對重金屬元素的吸附脫除作用有很大的研究空間。如何在具體的生產(chǎn)環(huán)境中使用合適的固體吸附劑，將是一個(gè)有著廣闊前景的研究課題。參考文獻(xiàn)：1陸繼東,余亮英,張娟.固體吸附劑對流化床燃燒中痕量元素控制研究.中國電 機(jī)工程學(xué)報(bào),2004年3月第24卷第3期2韓軍,徐明厚,曾漢才,詹靖.分級燃燒對固體吸附劑吸附痕量金屬的影響. 熱能動力工程, 2004年1月第19卷第1期3程俊峰,韓軍,劉迎輝,曾漢才,徐明厚,雒昆利.分級燃燒中固體吸附劑對痕量金屬排放的影響.環(huán)境科學(xué),2001年11月第22卷第6期4許綠絲,程俊峰,曾漢才.燃煤飛灰對痕量重金屬吸附脫除的研究.熱力發(fā)電，2004（04）5梁郁強(qiáng),賈宗劍,江