引言：水是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，維系著整個(gè)社會(huì)的進(jìn)步。據(jù)聯(lián)合國(guó)最近一份報(bào)告指出，世界上超過1/5人口的地區(qū)處于中等或高度供水緊張狀態(tài)。中國(guó)水資源總量居世界第6位，但人均水量約為世界人均水量的1/4，是水資源嚴(yán)重不足的國(guó)家之一，預(yù)計(jì)到2010年總?cè)笨趯⑦_(dá)到1140億t。近年來(lái)隨著工業(yè)生產(chǎn)和城市現(xiàn)代化水平發(fā)展，廢水大量排放，水源中重金屬積累加劇，重金屬污染嚴(yán)重，因此重金屬?gòu)U水的治理受到國(guó)內(nèi)外科研工作者的高度重視。筆者對(duì)重金屬?gòu)U水的來(lái)源、危害，幾種處理重金屬?gòu)U水的方法及其優(yōu)缺點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了綜述。
1 重金屬?gòu)U水的來(lái)源及危害
一般來(lái)說(shuō)，重金屬是指密度大于4.5 g/cm3的金屬，比如金、銀、銅、鐵、鉛、鋅、鎳、鈷、鉻、汞、鎘等，其中有些是人體不可缺少的微量元素，但是如果超量就會(huì)對(duì)環(huán)境或者人體造成傷害。
廢水主要來(lái)源于礦山開采業(yè)、機(jī)械加工業(yè)、有色金屬冶煉業(yè)、石油化工企業(yè)和電鍍行業(yè)等，比如選礦尾礦排水，機(jī)械加工用水，有色金屬冶煉廠除塵排水，有色金屬加工廠酸洗水，廢舊電池垃圾處理用水，廢石場(chǎng)浸淋水等。除此之外，在醫(yī)藥、農(nóng)藥、油漆、涂料等行業(yè)也會(huì)產(chǎn)生重金屬?gòu)U水。重金屬?gòu)U水中的重金屬種類和含量跟從事的行業(yè)密切相關(guān)。
金屬?gòu)U水污染具有獨(dú)特的性質(zhì)。首先是其生物不可降解性，其次還具備毒性持久性。重金屬?gòu)U水進(jìn)入江河湖泊，污染土壤，其中的金屬可以被農(nóng)作物吸收，影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)，造成減產(chǎn)或者更大的損失。重金屬也可通過植物的根系進(jìn)入食物鏈，其副作用會(huì)被放大，在人體內(nèi)聚集，導(dǎo)致新陳代謝紊亂，生物機(jī)能下降，對(duì)人體造成極大傷害。1956 年日本熊本縣水俁鎮(zhèn)一家氮肥公司排放的廢水中有汞，含汞的廢水在海水和魚類中聚集，導(dǎo)致中毒病人2248人，其中死亡 1004人。重金屬?gòu)U水帶來(lái)的傷害之大，損失之重讓人扼腕嘆息，因此，正確處理重金屬?gòu)U水具有重要的意義。
2 重金屬?gòu)U水處理的傳統(tǒng)方法
重金屬?gòu)U水處理的傳統(tǒng)工藝方法主要有化學(xué)沉淀法、電化學(xué)法、膜分離法、吸附法、電解法等。
2.1 化學(xué)沉淀法
化學(xué)沉淀法是指在廢水中加入藥品制劑，通過化學(xué)反應(yīng)，溶解在水溶液中的金屬離子變成不溶性的沉淀物進(jìn)而分離出來(lái)的方法。比較常用的有中和沉淀法、硫化物沉淀法和鐵氧體沉淀法。中和沉淀法是指在重金屬?gòu)U水中加入堿性溶液，一般選擇石灰水(Ca(OH)2溶液)，廢水中的重金屬離子會(huì)生成難溶性的氫氧化物沉淀。這種方法操作簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，但是容易造成二次污染。硫化物沉淀法是指在重金屬?gòu)U水中加入硫化鈉(Na2S)溶液，是廢水中的重金屬離子以硫化物的形式沉淀下來(lái)。這種方法形成的沉淀比較穩(wěn)定，容易進(jìn)一步處理。鐵氧體沉淀法是向重金屬?gòu)U水中加入鐵鹽，通過控制工藝流程，使其中的多種重金屬離子與鐵鹽形成鐵氧體共沉淀，然后分離去除。這種方法可以同時(shí)去除多種重金屬離子，在應(yīng)用上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
2.2 電化學(xué)法
電化學(xué)法是指運(yùn)用電解的基本原理，使廢水中的重金屬離子通過電解作用在正負(fù)兩極上分別發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使重金屬聚集，沉淀在電極表面或者沉淀到容器底部，然后進(jìn)行處理。這種方法是一個(gè)復(fù)雜的工藝處理過程，期間發(fā)生了氧化還原反應(yīng)、沉淀反應(yīng)，并且需要進(jìn)一步分離凈化，但是這種方法可以回收一些重金屬，具有一定的價(jià)值，但是其成本略高。若處理低濃度的重金屬?gòu)U水時(shí)考慮其成本則很少使用此種方法。
2.3 膜分離法
膜分離技術(shù)是指在分離工藝中，利用一種特殊的半透膜，在外界壓力的作用下，不改變?nèi)芤褐腥苜|(zhì)的化學(xué)形態(tài)，將溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行分離濃縮的方法。根據(jù)使用的半透膜的性能不同，膜分離法可以分為微濾、超濾、納濾、反滲透、電滲析、液膜等方法。這種方法將廢水中的重金屬離子轉(zhuǎn)化為特定的大小的不溶狀態(tài)的微小顆粒，然后通過濾膜將其除去。膜分離法優(yōu)點(diǎn)突出，效率高且無(wú)二次污染，但是膜的壽命短，需要認(rèn)真維護(hù)，投資費(fèi)用也比較高。
2.4 吸附法
吸附法是指利用吸附劑來(lái)吸附廢水中重金屬的方法。吸附法常見的有物理吸附法、樹脂吸附法、生物吸附法。在物理吸附法中，吸附劑把廢水中的重金屬離子吸附到表面，進(jìn)而除去廢水中的重金屬離子。吸附劑應(yīng)該具備較高的比表面積或者吸附劑表面具有豐富的高密度空隙結(jié)構(gòu)。常用的吸附劑有活性炭、沸石、粘土礦物、分子篩等?；钚蕴渴鞘褂米钤纾瑧?yīng)用最廣泛的吸附劑?；钚蕴康奈侥芰?qiáng)，吸附容量大，可以同時(shí)吸附多種重金屬離子，但是使用壽命短、價(jià)格昂貴。樹脂吸附法是利用樹脂中的一些官能團(tuán)和重金屬離子螯合形成網(wǎng)狀配合物來(lái)進(jìn)行吸附。樹脂中含有很多活性官能團(tuán)，有羥基、羧基、氨基等，這些活性的官能團(tuán)可以有效地和金屬離子發(fā)生鰲合反應(yīng)。其中應(yīng)用最多的是殼聚糖及其衍生物，很多環(huán)保學(xué)者已經(jīng)證實(shí)其具備良好的吸附性能。生物吸附指利用生物體的化學(xué)結(jié)構(gòu)或成分特性來(lái)吸附廢水中的重金屬離子。生物吸附劑本質(zhì)是一種特殊的離子交換劑，主要是菌體、藻類和細(xì)胞提取物，起作用的是生物細(xì)胞。生物吸附劑因其來(lái)源豐富、價(jià)格低廉容易回收等優(yōu)點(diǎn)在處理重金屬?gòu)U水中使用的越來(lái)越廣泛。
3 重金屬?gòu)U水處理新技術(shù)
3.1 納米技術(shù)及材料
納米技術(shù)作為一門新興學(xué)科，對(duì)其研究才剛剛開始。但納米技術(shù)在水污染治理方面的巨大潛力已得到廣泛認(rèn)同。納米過濾是一種由壓力驅(qū)動(dòng)的新型膜分離過程，介于反滲透與超濾之間。納濾膜主要存在以下兩個(gè)特點(diǎn)：(1)膜的截留相對(duì)分子質(zhì)量為100~1 000，納濾膜存在真正的微孔，孔徑處于納米級(jí)范圍。(2)納濾膜對(duì)不同價(jià)態(tài)離子的截留效果不同，對(duì)單價(jià)離子的截留率低，對(duì)二價(jià)及多價(jià)離子的截留率則相對(duì)較高，由于讓大部分單價(jià)離子自由通過，使得納濾膜只需使用較低的操作壓力(一般為0.5~1.5 MPa);同時(shí)納濾膜的通量高，與反滲透相對(duì)，納米過濾具有設(shè)備投資低、能耗低的優(yōu)點(diǎn)。目前，采用納米過濾技術(shù)可有效去除鎳﹑鉻(Ⅵ)﹑鎘﹑銅等重金屬污染物(主要來(lái)源于工業(yè)廢棄物泄漏和工業(yè)廢水排放)。
3.2 光催化技術(shù)
光催化法是一種環(huán)境友好型水處理方法，利用光催化劑表面的光生電子或空穴等活性物種，通過還原或氧化反應(yīng)去除重金屬。目前，光催化法降解廢水中的重金屬大多還處于實(shí)驗(yàn)研究階段，實(shí)驗(yàn)室最常用的光催化劑是二氧化鈦(TiO2)。TiO2光催化去除重金屬離子有3 種機(jī)理：(1)光生電子直接還原金屬離子;(2)間接還原，即由空穴先氧化被添加的有機(jī)物，然后由產(chǎn)生的中間體來(lái)還原金屬離子;(3)氧化去除金屬離子。近年來(lái)，利用半導(dǎo)體 TiO2光催化法去除或回收廢水中的 Se4+、Cu2+、Hg2+、Ag+和Cr6+等金屬離子的研究備受關(guān)注，尤其對(duì) Cr6+的研究最為廣泛。光催化法耗能低、無(wú)毒性、選擇性好、常溫常壓、快速高效，在重金屬?gòu)U水處理中前景廣闊且日益受到重視，但從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)光催化法還存在著許多問題，如重金屬離子在光催化劑表面的吸附率低，光催化劑的吸光范圍窄等。
3.3 新型介孔材料
根據(jù)國(guó)際理論和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)定義，介孔材料指孔徑介于 2~50 nm 的多孔材料。介孔材料具有長(zhǎng)程結(jié)構(gòu)有序、孔徑分布窄、比表面大(>1 000 cm2/g)、孔隙率高且水熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，介孔材料是當(dāng)今國(guó)際上的研究熱點(diǎn)和前沿之一。近年來(lái)，研究者通過對(duì)材料進(jìn)行化學(xué)修飾或改性處理，已制備出了諸多新型功能化介孔材料，對(duì)含Hg、Cu、Pb、Cd 等的廢水治理展示了誘人前景。馬國(guó)正等以十六烷基三甲基溴化銨為模板劑，合成了A1-MCM-41介孔分子篩，研究表明，Cd2+能定量吸附在A1-MCM-41 分子篩上，最大吸附量為136.86 mg/g(Cd2+的初始質(zhì)量濃度為400 mg/L)。A.M.Liu等用氨基功能介孔材料SBA-15處理含重金屬?gòu)U水，結(jié)果顯示SBA-15(NH2)對(duì) Cu2+、Zn2+、Cr3+和Ni2+均有很強(qiáng)的去除能力。目前利用新型高效介孔材料吸附劑處理重金屬?gòu)U水仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段，吸附劑的價(jià)格限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用。
3.4 基因工程技術(shù)
Wilson在20世紀(jì)90年代嘗試用基因工程技術(shù)對(duì)微生物進(jìn)行改造，并將其應(yīng)用于含汞廢水的治理，取得了較好結(jié)果。隨后其他研究者也逐漸將基因工程技術(shù)應(yīng)用于不同類型重金屬?gòu)U水的處理，從而使這一領(lǐng)域的研究日趨活躍。基因工程技術(shù)應(yīng)用于重金屬?gòu)U水的治理指通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)，將外源基因轉(zhuǎn)入微生物細(xì)胞中，使之表現(xiàn)出一些野生菌沒有的優(yōu)良遺傳性狀，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬 Hg、Cu、Cd 等高效的生物富集。利用基因工程處理重金屬?gòu)U水目前尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段，真正用于工業(yè)水平還存在一些問題，如利用基因工程菌連續(xù)化處理重金屬?gòu)U水就面臨難題。
4、結(jié)語(yǔ)
水資源匱乏和環(huán)境污染的當(dāng)今社會(huì)，應(yīng)該對(duì)重金屬?gòu)U水處理更加重視，意識(shí)到重金屬?gòu)U水處理具有具大意義。應(yīng)當(dāng)綜合運(yùn)用各種技術(shù)來(lái)進(jìn)行處理廢水中的重金屬，實(shí)現(xiàn)水資源和重金屬的雙重回收，爭(zhēng)取最大的利益。
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