吸附法处理含铅废水进展研究

王紫欣，刘汉湖

（中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州，221116）

摘要：铅是一类具有毒性、生物累积性的难降解重金属，随着铅在化工、造纸、电镀、纺织、印染、化纤、农业等行业的广泛应用，我国水体铅污染问题已越来越严重，严重威胁到人类的健康。吸附作为一种成本低、高效且操作简便的方法，常用于研究水中铅的去除。目前对于吸附处理水中铅的全面总结较少，故本文综述了近年来吸附法去除水中铅的吸附剂类型及吸附效果，最后就吸附法、高性能吸附材料在含铅废水去除领域中的应用前景进行了分析。

关键词：铅污染、吸附法、吸附材料

1 重金属铅的污染现状及含铅废水危害

重金属污染是最严重的全球环境问题之一，也是水体中的主要污染物，因为在自然界中很难被降解，即使低浓度重金属也时刻威胁着人类健康以及损害着水生生物。铅(Pb)作为污染生态环境的有毒重金属之一,具有较强的迁移转化能力,会通过矿山开采、金属冶炼、汽车尾气排放、油漆涂料、含铅药物和化学品的使用及铅蓄电池的制造等一系列活动进入人类环境, 并以不同的形态存在且含量较高，它的理化性质较为稳定，对环境和人类生活构成了很大的威胁。含铅污水排放量增加，导致水体被污染，如何高效地治理含铅废水是目前重金属废水处理领域中面临的突出问题。

2 吸附法研究进展

目前，处理含铅废水主要有化学沉淀、吸附、膜分离、离子交换、生物修复和电解技术等方法，其中以吸附法研究颇多。吸附法是使用多孔的固体吸附剂将水中的重金属离子吸附于材料的表面，再用适当的方法将重金属离子解吸，从而达到从重金属废水中分离和富集重金属离子的目的。按照吸附机制的不同，吸附法可以分为物理吸附、化学吸附和生物吸附三类。物理吸附吸附速度快，吸附容量往往取决于吸附材料本身的孔隙率、比表面积等，因吸附过程不发生化学反应而容易发生解吸。而化学吸附吸附速度相对较慢，吸附容量不仅仅取决于材料本身的孔隙率、比表面积还受化学反应发生的难易程度、化学键的类型等影响，因为其吸附过程伴随着化学反应，因而不易发生解吸。目前已开发了多种类型的吸附剂用于水中重金属离子的去除，如活性炭吸附材料、矿物质吸附材料、生物质吸附材料以及碳纳米管吸附材料。一般吸附剂主要为活性炭，活性炭是一种环境友好型吸附剂，比表面积广、多孔结构发达且对重金属离子具有一定吸附作用。当前含铅废水处理的主要研究方向是寻找高性价比、高效的吸附剂。

笔者对吸附法在含铅废水处理中的研究现状进行了介绍，总结了不同研究者开发性能良好的吸附剂处理技术的优点和存在的问题。

2.1 活性炭吸附材料

活性炭是由木质、煤质和石油焦等含碳的原料经热解、活化加工制备而成，具有发达的孔隙结构、较大的比表面积和丰富的表面化学基团，以及较强的特异性吸附能力。关于利用活性炭及利用某些改性方法制得改性活性炭吸附水中铅离子的研究由来已久。未经改性的活性炭吸附容量低，对于铅离子的吸附效果并不好。因而研究重心集中在以活性炭为基体，通过恰当的改性手段获得改性活性炭，进而提高对水中铅离子去除的效果。李玉^[1]等利用十二烷基硫酸钠(SDS)对活性炭进行改性处理，在SDS浓度为5mmol/L、改性时间为10min的条件下，当温度达到45℃时，Pb²⁺的去除率可高达89.56%。在吸附过程中，活性炭的孔径、 比表面积和颗粒度对 Pb²⁺的去除效果均有较大影响。 该技术操作简便、应用范围较广，是一种比较成熟的除铅方法。

2.2 矿物质吸附材料

矿物改性是提高矿物吸附性能的主要研究方向，已广泛应用于处理水中重金属离子领域。中国是世界上最大的煤炭消费国，煤炭消费占全国能源消费总量的60%以上。粉煤灰是燃煤火力发电厂在煤粉燃烧过程中产生的固体废弃物，是中国目前最大的固体废弃物之一。粉煤灰处置不当，会造成严重的空气、水和土壤污染。粉煤灰中的主要成分是石英和莫来石。雷畅^[2]等对碱改性和火法改性的两种改性粉煤灰进行铅的吸附试验，研究结果表明，在火法改性粉煤灰(PFA)用量为1.2g/L，初始Pb²⁺浓度为100mg/L，pH为5，温度为25℃，时间为180分钟的条件下，PFA对Pb²⁺的去除率达到了88.1%。在碱改性粉煤灰(AFA)用量5g/L，初始Pb²⁺浓度100mg/L，pH为5，温度25℃，时间180分钟的条件下，AFA对Pb²⁺的去除率达到80.2%。在相同条件下，PFA的Pb²⁺吸附量高于AFA。PFA和AFA的吸附容量分别为300.62mg/g和56.87mg/g。

王旻^[3]等将伊利石与活化辅料石膏、石灰石和白云石组成伊利石-硫酸盐-碳酸盐矿物体系，焙烧活化制备新型矿物吸附材料（MAM），进而用于水中Cd²⁺和Pb²⁺的去除。结果表明，在25℃、pH值为4、吸附时间为1h的条件下，MAM对Cd²⁺和Pb²⁺的吸附率达98.91% 和99.87%。赵维^[4]等制备谷氨酸插层镁铝( Mg-Al-G)水滑石，并研究了其对水中铅离子的吸附性能。结果表明，Mg-Al-G水滑石对水中铅离子具有较好的吸附性能，在Mg-Al-G水滑石的镁铝比为 2∶1、Mg-Al-G水滑石用量为4.0000g、铅离子溶液初始浓度为30mg·L^-1、铅离子溶液pH值为6、吸附时间为90min、吸附温度为20℃的最佳条件下，Mg-Al-G水滑石对水中铅离子的吸附率达到97.17%。

2.3 生物质吸附剂

近年来，随着石油和煤炭资源的逐渐枯竭，树脂、活性炭等传统吸附材料将面临着原料短缺、价格上涨的威胁。因此，来源丰富可再生的生物质作为吸附剂受到了越来越多的关注。生物质指的是自然界内所有的植物、微生物以及以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物等。生物质吸附材料具有来源广泛、成本较低、吸附效果好、易解吸、回收性好、环保等优点，主要包括农牧林废弃物类、微生物类及其细胞提取物类、有机物大分子等。农业废弃物中比较有代表性的有稻壳、木屑、生物炭等。微生物类及其细胞提取物类包括藻类、真菌、细菌等微生物及一些细胞提取物。目前以农业废弃物为生物吸附材料用于含重金属废水治理的研究非常活跃，如农作物秸秆、甘蔗渣、木屑、果壳和食用菌等，这类吸附剂原料来源广泛、成本低廉、吸附效果较好，具有广阔的应用前景。

赵建兵^[5]等以玉米秸秆为原料，借助高温焙烧制得了玉米秸秆生物炭，并通过对水中铅镉的吸附实验，考察了高热解温度生物炭的重金属脱除性能。结果显示: 在25℃、pH值4、960min、Pb²⁺、Cd²⁺初始质量浓度分别为429.24和280.34mg/L时，生物炭对Pb²⁺、Cd²⁺最大吸附量分别为94.79和24.47mg/g；在铅、镉初始质量浓度均为150mg/L时，所得平衡吸附容量可达69.0、24.4mg/g。

朱俊波^[6]等以农业废弃物花生壳为原料，探讨了高热解温度下所得花生壳生物炭对单一溶液及混合溶液中铅镉离子的去除性能。结果表明：热解温度为700℃的花生壳生物炭具有较高的比表面积及孔容，当铅镉离子的初始浓度均为150mg/L、固液比为1∶100、初始pH为4、吸附时间为 24 h 时，花生壳生物炭对Cd²⁺的去除率超过80%，对Pb²⁺的去除率达到 99.04%；当铅镉离子共存时，溶液中的Cd²⁺对Pb²⁺的去除率几乎无影响，但Pb²⁺却会显著抑制花生壳生物炭对Cd²⁺的吸附，且平衡吸附容量可达57.23、17.75mg/g。

易庆平^[7]等对橘皮进行磷酸微波炭化－NaOH改性制备新型生物吸附剂，结果表明，在pH=5.0～6.0是橘皮吸附剂吸附Pb²⁺的适宜pH范围。吸附剂对Pb²⁺饱和吸附容量约为140mg/g，对低浓度（50～100mg/Ｌ）的Pb²⁺吸附率超过99％。

刘睿^[8]等将硫酸钙作为添加剂与污泥共热解制备硫酸钙/污泥基生物炭（SBC），研究了其对Pb²⁺的吸附去除特性。结果表明，硫酸钙已负载在生物炭表面并对去除Pb²⁺有促进作用。 在最适条件下Pb²⁺去除率可达99.69%，最大吸附量为280.899mg/g。由于生物质来源广泛，用其吸附废水中的Pb²⁺可大大降低废水处理成本。

2.3 复合吸附剂

研究使用复合材料吸附铅已受到人们的广泛关注。复合吸附剂一般由两种或两种以上材料制备而成。复合吸附剂通常被认为比单一吸附剂的吸附效果好。铁氧化物复合材料比其它金属氧化物复合材料具有更好的吸附效果，因此，开发出经济、低廉，适用于不同污染水体的复合吸附剂，通过深入研究吸附机理来提高吸附剂的性能是新的研究热点。

由于铁氧化物具有良好的吸附阴阳离子的能力，以铁氧化物为主要成分的吸附剂的开发应用受到了国内外学者的广泛关注，可用作吸附剂改性或负载材料的铁化合物包括无定形氧化铁、水铁矿、纤铁矿、针铁矿、赤铁矿和磁铁矿。一些文献研究结果表明，以铁氧化物为主要成分的吸附剂可以吸附砷、铬、铅等重金属离子。近年来的研究表明，在吸附剂上适当地负载铁氧化物可以提高其对铅的吸附能力。梁美娜^[9]以甘蔗渣为主要原料，采用沉淀一步炭化加热化学改性法，制备了氧化铁/甘蔗渣生物质炭复合吸附剂（N-Fe₂O₃-BC)，在最适条件下，N-Fe₂O₃-BC对Pb²⁺的最大吸附量为17.57mg/g。

还有一种复合吸附剂是将生物法去除水中铅与吸附法结合，例如杨亮^[10]等以徐州市铜山区楚河河岸边的淤泥为研究对象，从中分离筛选到耐受和吸附铅、铜的细菌，并将细菌与沸石粉一起培养成沸石-细菌复合矿物材料吸附剂。结果表明，沸石-细菌复合矿物材料吸附剂对Pb²⁺和Cu²⁺的吸附量在7-10mg/g, 吸附效率最高可达90%。

2.4 碳纳米管吸附剂

碳纳米管带有负电，可通过静电引力吸附金属离子，达到去除Pb²⁺的目的。其吸附面积较大，可通过管壁外表面、管壁内腔和管壁空隙进行吸附。王丽波^[11]等通过实验测定结果可知，碳纳米管对水中Pb²⁺去最大吸附量为2.69μg/mL,去除的最大效率达到89%，是一种很理想的环境材料。碳纳米管对水中Pb²⁺的去除最佳使用浓度为6g/L,最佳温度为80℃，溶液pH值对水中铅离子的去除有一定的影响，在中性和弱碱性条件下的去除率大于酸性，离子强度的升高，会导致水中铅离子的去除率有所下降。纳米碳管对铅离子在水体中吸附行为，去除效果良好，证明了纳米碳管去除水中铅离子的效果优于其他传统材料和方法，但纳米碳管在水溶液中进行吸附时容易发生卷曲和漂浮，不能最大程度与水中铅离子接触，减少了接触面积的，直接影响其吸附效果。今后的研究中应当在使用方法上进行改良。

3 结语

含铅废水的处理技术各有利弊，在保证去除率的同时，也要兼顾成本和实际运行情况。对四类技术进行比较，发现生物质吸附具有更大的发展空间（见表1）。

表1 吸附材料用于吸附水中Pb²⁺时的优势与不足

生物质吸附技术的未来研究方向在于根据生物质材料的特性，制备具有理想物化性质和机械性能，适应性强的生物吸附剂、寻找更廉价、高效的生物质；此外，活性炭的部分吸附研究脱离了实际水环境条件，相关试验研究应加强对实际应用的指导等，都将是含铅废水处理技术的发展方向。

参考文献

[1]李玉,刘俊,陆英,陈云嫩.改性活性炭吸附处理含铅废水的研究[J].广东工,2022,49(01):147-149+163.

[2]雷畅,张鑫宇,陈璇,杨丽俞,郭会时,龙来寿,付志平.不同改性粉煤灰对溶液中铅的吸附性能和机理研究[J].当代化工研究,2020(14):1-5.

[3]王旻,石林.伊利石合成矿物吸附剂对水中Cd~(2+)和Pb~(2+)吸附研究[J].非金属矿,2022,45(04):15- 18.

[4]赵维,李玉红,郭江海,邓宇凌.谷氨酸插层镁铝水滑石的制备、表征及其对水中铅离子的吸附性能研究[J].化学与生物工程,2018,35(06):32-36.

[5]赵建兵,朱俊波,庄长福,郑志锋,李双庆,李雪梅.玉米秸秆生物炭对水中铅、镉的去除性能及作用机理研究[J].生物质化学工程,2022,56(04):15-24.

[6]朱俊波,赵建兵,周世萍,吴春华,赵蝶,蒋琳欢,刘守庆.花生壳生物炭去除水中铅镉离子的性能及吸附机理研究[J].西南林业大学学报(自然科学),2022,42(05):78-86.

[7]易庆平,蒋洁,孙爱红,许开华.改性橘皮吸附剂去除废水中铅的吸附研究[J].化工新型材料，2019,47 (S1):202-205+215.

[8]刘睿,刘立恒,黄蓉,刘秀.硫酸钙/污泥基生物炭对水中铅的吸附性能研究[J].工业水处理,2021,41 (05):46-52.

[9]梁美娜. 改性甘蔗渣生物质炭吸附剂的制备及其对砷和铅的吸附研究[D].广西大学,2018.

[10]杨亮,陈东.耐Pb~(2+)、Cu~(2+)沸石-细菌复合矿物材料吸附剂的筛选及其对水中Pb~(2+)、Cu~(2+)吸附能力的研究[J].环境与展,2018,30(02):119-120.DOI:10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.02.066.

[11]王丽波,李双.碳纳米管应用于吸附铅离子的研究[J].内蒙古石油化工,2010,36(03):15.

作者简介

王紫欣（1999-），女，江苏徐州人，中国矿业大学硕士在读研究生，资源与环境（环境工程）专业。 联系电话：18761475674，邮箱：1724086447@qq.com