（环境科学专业论文）介电泳间接去除水中重金属离子及其去除效率的研究.pdf

f u r t h e r m o r e ，t h ee s t a b l i s h m e n ta n dd e v e l o p m e n to fd e pt h e o r e t i c a l m o d e l sa r ei n t r o d u c e d t h ei m p a c t so fd e p t i m e ，v o l t a g e ，e l e c t r i cf i e l d s t r e n g t h ， f r e q u e n c ya n dp a r t i c l ed i a m e t e ro nd e p t r a n s l a t i o na r ec a l l e d f o r m o r e o v e r ，t h er e v i e wo fd e pp r o g r e s sa n di t s a d v a n t a g e si n p h y s i c sr e s e a r c ha r ee x p o u n d e d i na d d i t i o n ，t h er e v i e wo fd e p p r o g r e s s a n di t sa d v a n t a g e si ni n o r g a n i cp a r t i c l e sr e s e a r c ha r ep r e s e n t e di nd e t a i l a tl a s t ，t h er e m o v a lm e t h o d so fh e a v ym e t a l sc u r r e n t l ya r eo v e r v i e w e d i nt h em i c r o s c o p i cs t a t i cs t a t ed e v i c e ，t h ed e p r e s p o n s e so fi n o r g a n i c p a r t i c l e sa n di n o r g a n i cp a r t i c l e sw i t hh e a v ym e t a l sa r ei n v e s t i g a t e d i n a d d i t i o n ， am i c r o f l u i d i cd e v i c ei sm a n u f a c t u r e da n dt h ed e po f a d s o r p t i o no fh e a v ym e t a l si sf u r t h e re x p e r i e n c e d b a s e do nt h ea b o v e ，a r e s e a r c hd e v i c ef o rd e pr e m o v a l e f f i c i e n c yo fh e a v y m e t a l si si m p r o v e d ， a n dr e m o v a le f f i c i e n c yo fh e a v ym e t a li ss t u d i e db yt h ed e v i c ea n dt e s t e d b yu s i n g a t o m i ca b s o r p t i o ns p e c t r o m e t r y t h er e s u l t sg o tb yas e r i e s o fe x p e r i m e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 t h ed e p r e s p o n s e so fi n o r g a n i cp a r t i c l e si nt h em i c r o s c o p i cs t a t i cs t a t e r e s e a r c he q u i p m e n tb e f o r ea n da f t e ra b s o r b i n gh e a v ym e t a l s i nt h em i c r o s c o p i cs t a t i cs t a t ed e v i c e ，t h em e t h o d sa n do b j e c t so f d e pr e s e a r c ha r ed e t e r m i n e d t h r e ek i n d so fi n o r g a n i cp a r t i c l e sa r e c h o s e n ， i n c l u d i n gh o l l o wm i c r o s p h e r e ， s i li c o nd i o x i d ea n da l u m i n a o fa l lt h em a t e r i a l s ，t h eb e t t e rm a t e r i a l sa r eh o l l o wm i c r o s p h e r ea n d i i i s i l i c o nd i o x i d ew h i c ha r es u i t a b l et o i n v e s t i g a t ed i e l e c t r o p h o r e t i c m i g r a t i o no ft h ei n o r g a n i cp a r t i c l e sb e f o r ea n da f t e ra b s o r b i n gh e a v y m e t a l s ( 1 ) t h ep h e n o m e n ao fd e p ：p o s i t i v ed e pi s o b s e r v e di nt h el o w f r e q u e n c ye x p e r i m e n t so fh o l l o wm i c r o s p h e r ea n ds i l i c a ，a n dn e g a t i v e d e pi so b s e r v e di nt h eh i g hf r e q u e n c y u n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n s ， c h a i n i n gp a r t i c l e sa r eo b s e r v e di nt h ee x p e r i m e n t so fh o l l o wm i c r o s p h e r e ( 2 ) t h es h a p eo fi n o r g a n i cp a r t i c l e s ：p a r t i c l e so fh o l l o wm i c r o s p h e r e a r em a i n l yr e s e a r c h e db e c a u s eo fi t sr e g u l a rs h a p e o t h e r sa r ei r r e g u l a r s h a p e ( 3 ) v o l t a g e ：v o l t a g ei s c o r r e l a t e d p o s i t i v e l yw i t ht h ec o n c e n t r a t i o no f i n o r g a n i cp a r t i c l e s ( 4 ) d e n s i t yo ff i e l d ：t h ed i s t a n c eb e t w e e np a r t i c l e sa n de l e c t r o d et i p i n c r e a s e dw i t hv o l t a g e sa n dd e n s i t yo ff i e l d ( 5 ) f r e q u e n c y ：p d e pa n dn d e pw e r eo b s e r v e da tt h ed i f f e r e n tr a n g eo f f r e q u e n c i e s u n d e rt h e l o wf r e q u e n c y ，h o l l o wm i c r o s p h e r e sw e r e t r a p p e do ne l e c t r o d et i pa n dt h ee l e c t r o d ee d g eo ft h er e g i o n b u th o l l o w m i c r o s p h e r e i n t e r nh a sb e e n t r a p p e db e t w e e n t h ee l e c t r o d e sw h e n f r e q u e n c yi n c r e a s e s ( 6 ) t i m e ：t h el o n g e ro fd e pt r a n s l a t i o nt i m ei s t h em o r ei n o r g a n i c p a r t i c l e sa r et r a p e d ( 7 ) d i a m e t e r ：t h ed i f f e r e n tk i n d so fi n o r g a n i cp a r t i c l e sh a v ed i f f e r e n t i v r a n g eo fd i a m e t e r sw h i c ha r es u i t a b l et oi n v e s t i g a t ed e p m o v e m e n t 2 t h em i c r o s c o p i cd y n a m i cs t a t er e s e a r c ho fd e p t r a p p i n go fh o l l o w m i c r o s p h e r ea f t e ra b s o r b i n gh e a v ym e t a l s ( 1 ) e l e c t r o d ea r r a y ：t h ec o n c e n t r a t i o no fh o l l o w m i c r o s p h e r e s i s d i m i n i s h i n go nt h ee l e c t r o d ea r r a y sa l o n gt h ef l o wi nt h en o n u n i f o r m f i e l d ( 2 ) v e l o c i t y ：t h em o v e m e n tv o l t a g ei sl o w e s ta tc e r t a i nv e l o c i t y ( 3 ) f r e q u e n c y ：t h et r a pa r e a so fh o l l o wm i c r o s p h e r ea r ec h a n g e dw h e n f r e q u e n c yc h a n g e s ( 4 ) v o l t a g e ：i nt h ea p p r o p r i a t ev o l t a g er a n g e ，t h e v o l t a g eh a sap o s i t i v e c o r r e l a t i o nw i t hc o n c e n t r a t i o no f i n o r g a n i cp a r t i c l e s 3 t h ei m p r o v e m e n to ft h ed e pr e s e a r c h d e v i c ef o rt h er e m o v a l e f f i c i e n c yo fh e a v ym e t a l s s e v e r a la s p e c t so ft h ed e s i g no ft h i sd e v i c ea r ei m p r o v e d ，s u c h a sf l u i d a n de l e c t r i cf i l e dc o n t r 0 1 t h ed e v i c ec a nr e m o v et h e h o l l o wm i c r o s p h e r e s w i t hh e a v ym e t a l s t h ea t o m i ca b s o r p t i o ns p e c t r o m e t r yi su s e dt ot e s tt h e r e m o v a lr a t eo fh e a v ym e t a l t h er e m o v a l e f f i c i e n c yi sq u i t eh i g h t h e r e m o v a lr a t eo ft h ee x p e r i m e n t a lc a nb ea sh i g ha s9 8 4 k e yw o r d s d i e l e c t r o p h o r e s i s ，h o l l o wm i c r o b a l l s ，t r e a t m e n to f h e a v ym e t a l s ，p h y s i c a lp a r a m e t e r s v 目录 第一章绪论1 1 1 重金属废水污染的特点、主要处理方法及其发展趋势1 1 1 1 重金属废水的来源、对人类健康的影响f 2 ：3 1 1 1 1 2 重金属废水处理技术概况2 1 1 3 重金属废水处理技术展望7 1 2 介电泳技术的理论与发展8 1 2 1 弓i 言8 1 2 2 介电泳理论模型的发展9 1 2 3 主要物理参数对于介电泳的影响1 0 1 2 4 介电泳用于物理学量的测量1 4 1 3 研究目标、内容和意义1 5 1 3 1 研究目标1 5 1 3 2 研究内容1 6 1 3 3 研究意义。1 6 第二章无机颗粒的介电泳显微研究装置的建立1 5 5 1 1 8 2 1 介电泳显微研究装置的研制及其组装。1 8 2 1 1 介电泳显微研究装置的研制1 8 2 1 2 实验装置的连接2 l 2 2 实验装置的操作2 3 第三章静态下研究吸附c a 2 + 的空心微球介电响应。2 5 3 1 主要试剂2 5 3 2 实验材料的选择。2 5 3 3 悬浮液浓度及测量方法的确立2 5 3 3 1 悬浮液浓度的确立2 5 3 3 2 无机颗粒粒径的测量方法的确立2 5 3 3 3 迁移电压值的确立2 5 3 3 4 迁移距离的确立。2 6 3 4 空心微球吸附重金属离子前在显微静态研究装置中的介电迁移规律2 6 v i 3 4 1 实验过程2 7 3 4 2 实验现象：2 7 3 4 3 实验结果与讨论3 0 3 5 空心微球吸附重金属离子后在显微静态研究装置中的介电迁移规律3 3 3 5 1 实验过程3 4 3 5 2 实验现象3 4 3 5 3 实验结果及讨论3 6 3 6 结论3 9 第四章静态下研究吸附c d 2 + 的二氧化硅、氧化铝介电响应4 1 4 1 主要试剂4 1 4 2 吸附重金属离子前在显微静态研究装置中的介电迁移规律。4 1 4 2 1 实验过程，4 1 4 2 2 实验结果与讨论4 2 4 3 二氧化硅吸附重金属后的介电迁移规律4 3 4 3 1 实验过程4 3 4 3 2 实验结果及讨论4 4 4 4 两种无机微粒的比较分析4 6 4 4 1 无机颗粒的形状4 6 4 4 2 成链现象“4 7 4 4 3 介电泳现象4 7 第五章显微动态下研究空心微球吸附c d 2 + 的介电响应4 8 5 1 显微动态研究无机颗粒的意义4 8 5 2 主要试剂4 8 5 3 实验过程。4 8 5 4 实验结果及讨论4 8 5 5 介电泳去除水体中重金属设备的初步探索：5 4 5 5 1 介电泳去除重金属研究装置的研制【5 5 1 5 4 5 5 2 实验设备的组装和连接【5 5 j 2 5 5 5 5 3 实验过程5 6 5 5 4 实验结果5 6 5 6 结论6 1 第六章结论与创新点6 2 6 1 结论：6 2 6 2 创新点6 3 第一章绪论 1 1 重金属废水污染的特点、主要处理方法及其发展趋势 水是人类和其它生物繁衍生息过程中，必不可少的物质。随着全球经济的迅 猛发展，使得水资源的需求量逐渐加大，因而水资源的污染问题也日益严重。其 中重金属污染在水污染中占了较大比例。而重金属污染又容易在生物链中容易富 集和扩大，并且毒性较大，因此水中重金属污染问题已经严重危害到生态环境和 人类的生命健康【。 重金属指比重大于4 或5 的金属，约有4 5 种，常说的重金属污染，主要是指汞、 镉、铅、铬以及类金属砷等生物毒性显著的重金属造成的环境污染。重金属在人 体内与蛋白质及各种酶发生强烈的相互作用，使它们失去活性，会给人体造成很 严重的危害。重金属还对植物产生危害，重金属在土壤植物系统中迁移直接影 响到植物的生理生化和生长发育。动物食用了重金属污染过的植物会随着食物链 发生富集，最终会影响到人类的健康1 2 j 。 1 1 1 重金属废水的来源、对人类健康的影响1 2 ；3 重金属废水主要来自矿山坑内排水、废石场淋浸水、选矿厂尾矿排水、有色 金属冶炼厂除尘排水、有色金属加工厂酸沈水、电镀厂镀件洗涤水、钢铁厂酸洗 排水，以及电解、农药、医药、烟草、油漆、颜料等工业。例如，汞污染主要来 源于化学工业中汞催化剂、汞制仪表( 温度计) 、汞矿开采冶炼、煤和石油燃料燃 烧和有机汞农药等：铅主要来自工业废气、汽车尾气、某些涂料及铅包装饮品， 尤其是印刷厂在铅版镀铁、镀锌过程中产生高含量酸性铅、锌废水；电镀、化工、 涂料、塑料、印刷、农药、陶瓷、摄影等工业都排出不同浓度的含镉废水；皮毛 厂、玻璃厂、木材厂、颜料、涂料和农药厂都排出形态各异的含砷废水；有机合 成、农药、染料、橡胶及有色金属冶炼厂等废水中均含铜。废水中重金属种类、 含量及其存在形态随不同生产种类而异，变化很大。 研究表明，重会属污染对人群健康的危害是多方面、多层次的，其毒理作用 表现为：造成生殖障碍，影响胎儿j 下常发育，威胁儿童和成人身体健康等。因此 在考虑微量元素对人体健康的作用时，不能只注意有益微量元素的积极效应，还 要注意有害微量元素的负面影响。重金属不能被生物降解为无害物。重金属废水 进入水体后，除部分为水生物、鱼类吸收外，其它大部分易被水中各种有机和无 机胶体及微粒物质所吸附，再经聚集沉降沉积于水体底部。它在水中浓度随水温、 p h 值等不同而发生变化，冬季水温低，重金属盐类在水中溶解度小，水体底部 沉积量大，水中浓度小；夏季水温升高，重金属盐类溶解度大，水中浓度高。因 此水体经重金属废水污染后，危害的持续时间很长。重金属污染，特别是重金属 废水污染已危及人类健康，成为世界性的严重危害。 1 1 2 重金属废水处理技术概况 目前常用的重金属废水处理技术主要有生物法、吸附法、化学沉淀法、离子 交换、氧化还原法、膜分离法等。 1 1 2 1 生物法l l 废水具有效率高、成本低、二次污染少、有利于生态环境的改善等优点，近 年来在含重金属废水处理领域引起了人们普遍的关注。进行了广泛的研究。但微 生物培养和驯化时间长，不易控制，且大多有选择性。因此目前此法多处于实验 室研究阶段。实现工业化还有待进一步探究。安鑫龙等【8 l 指出大型真菌对重金属 的生物富集作用以及利用大型真菌进行重金属生态修复的优势，指出大型真菌种 类、生态类型、富集重金属的生物学特性及其遗传潜能、大型真菌菌丝体和子实 体的形态、部位、寿命以及结实间隔和环境因子等是影响大型真菌吸收和积累重 金属的主要因素。筛选富集重金属功能强大、易于人工栽培、环境适应性强、便 于后处理的大型真菌是今后研究的重要方向。刘桂萍1 9 】等从农药厂土壤中分离得 到对p b 2 + 离子吸附能力最强的一株霉菌，对水体中p b 2 + 离子进行去除实验。结果 表明：该霉菌培养7 2 h 后，当p b 2 + 的初始质量浓度为l o o m g l ，在最佳吸附条 件下，吸附量、去除率分别可达4 0m g g 和8 0 以上。张慧1 1 0 l 等从电镀废水中 分离出的一株具有还原作用的菌株( a s p e r g i l l u ss d 并研究了对c r ( v 1 ) 的吸附特 性，结果表明在p h = 2 时，当c 一的起始浓度为2 0 m g l 时，吸附率高达9 7 9 ， 经稀h c i 浸泡过的菌体可提高吸附率。陈勇生l l l 】等报道盐泽螺旋藻( s p i m l l n a s u b s a l a ) 和啤酒酵母菌( s a e c h a o m y c e sc e v i s l a e ) 对c u z + 、n i “、和c d 2 + 三种重金属 离子有明显的吸附，但对c d 2 + 的吸附能力更强。但是菌种繁殖速度慢，一段时 2 间后，水中的浮游生物增加，而且生物吸附剂的机械强度弱、化学稳定性差，因 此并没有被广泛地应用于工业生产中，因此研究微生物的固定化已成为热点，将 生物吸附剂实现规模化应用还需进一步地研究。 1 1 2 2 吸附法1 1 2 l 吸附法实质上是依靠吸附剂活性表面对重金属离子的吸引而去除重金属离 子。吸附剂种类很多，活性炭是最早的，也是使用最广泛的吸附剂，后来在此基 础上又出现了活性炭纤维【1 3 】等，去除效率高，但价格高。近年来，发现矿物材 料具有强大的吸附能力，如麦饭石、硅藻土等，而沸石是最早用于重金属污染治 理的矿物材料，其三维结构使之具有很大的空隙不仅吸附能力强，而且操作简单， 可循环利用1 1 4 l 。通常情况下，这些吸附剂具有多孔的结构，为吸附提供了足够 的比表面积，然而粒子的内扩散作用导致吸附率和吸附容量的降低。因此需要研 究出具有高比表面及同时内扩散小的吸附材料最常见的是活性炭。活性炭可以同 时吸附多种重金属离子，吸附容量大，对c ，阳离子也有较强还原作用，但价贵， 使用寿命短，须再生，操作费用高。在我国，利用丰富的硅藻土资源研究出处理 c u “、z n 2 + 效果较好的吸附剂，日本利用天然沸石资源，如丝光沸石、斜发沸石、 膨润土等制重金属离子吸附剂的研究。美国利用废粘土制备重金属离子吸附剂的 专利。自然资源制备吸附剂，原料来源广，制造容易、价廉，但吸附剂使用寿命 短，重金属吸附饱和后再生困难，难以回收重金属资源。 1 1 2 3 化学沉淀法 化学沉淀法的原理是通过化学反应使废水中重金属离子转变为不溶于水的 沉淀物，通过过滤和沉淀等方法分离使沉淀物，包括中和沉淀法、中和凝聚沉淀 法、硫化物沉淀法、钡盐沉淀法、铁氧体共沉淀法【2 】。赵如金1 1 5 】采用铁氧体法 处理金属废水，发现重金属离子的半径接近铁离子n ( f e z ) n ( m ：) 的值越大，磁性 产物中金属的回收率、磁性产物的稳定性及饱和磁化率越大，且处理后的废水中 各种金属离子的质量浓度均达到污水综合排放指标。但是沉淀法因为沉淀剂的加 入容易造成二次污染，而且沉淀剂和环境条件都会影响出水质量。 1 1 2 3 1 中和沉淀法1 1 6 l 中和沉淀法是指在含重金属的废水中投入碱性中和剂，使重会属离子生成不 溶于水的金属氢氧化物沉淀。中和沉淀法操作简单，是常用的废水处理方法。在 操作中需要注意以下几点： 3 ( 1 ) 中和沉淀后，废水中若p h 值高，需要中和处理后才可排放，以防二次污染； ( 2 ) 当废水中有多种重金属共存时，为含有z i l 、p b 、s n 、等两性金属时， p h 值偏高，可能有再溶解倾向，因此要严格控制p h 值，实行分段沉淀； ( 3 ) 废水中有些阴离子，如卤素、氰根、腐植质等有可能与重金属形成络合 物，因此在中和之前需经过预处理； ( 4 ) 有些颗粒小，不易沉淀，则需加入絮凝剂辅助沉淀生成。 1 1 2 3 2 中和凝聚沉淀法 凝聚沉淀法也能有效地除去废水中的重金属离子。在碱性溶液用铝盐和铁盐 生成具有吸附重金属离子的胶团，这些胶团不仅能吸附废水中重金属离子，而且 还能捕集和包覆着重金属离子一起沉淀。 1 1 2 3 3 硫化物沉淀；去1 4 ；1 6 1 加入硫化物沉淀剂使废水中重金属离子生成硫化物沉淀除去的方法。与中和 沉淀法相比，硫化物沉淀法的优点是重金属硫化物溶解度比其氢氧化物的溶解度 低，而且反应的p h 值在7 9 之间，处理后的废水一般不用中和就可以排放。 硫化物沉淀法的缺点是硫化物沉淀物颗粒小，易形成胶体；硫化物沉淀剂本身在 水中残留，遇酸生成硫化氢气体，会产生二次污染。 1 1 2 3 4 钡盐沉淀法【1 2 1 投加钡盐能使含铬废水中c ，形成铬酸钡沉淀，此法称为钡盐沉淀法，常用 钡盐为b a c 0 3 和b a c l 2 。两种钡盐相比，加入b a c 0 3 是固液反应，反应慢，而 且要使反应彻底，碳酸钡需过量，使铬酸钡渣中b a c 0 3 量大大增加，不利于沉 渣利用，但处理水中不含a ，因而可回用。加入b a c l 2 ，则是液液反应，反应速 度快，而且b a c l 2 无需过量，有利于沉渣利用，不过处理水含过高的c l 。，不能 回用。但不管加入何种钡盐，澄清液中均含有过高的余钡，经处理后才能排放。 1 1 2 3 5 铁氧体法【4 ；1 6 l 铁氧体技术是根据生产铁氧体的原理发展起来的。在含c r 废水中加入过量 的f e s 0 4 ，使c r 6 还原成c 一，f e 2 + 氧化成f e “，调节p h 值至8 左右，使f e 离 子和c r 离子产生氢氧化物沉淀。通入空气搅拌并加入氢氧化物不断反应，形成 铬铁氧体。铁氧体法形成的污泥化学稳定性高，易于固液分离和脱水。铁氧体法 具有设备简单、投资少、操作简便、不产生二次污染等优点。但在形成铁氧体过 程中需要加热( 约7 0 1 2 ) ，能耗较高，处理后盐度高，而且有不能处理含h g 和络 4 合物废水的缺点。 1 1 2 4 离子交换法【1 2 l 离子交换法是重金属离子与离子交换树脂发生离子交换的过程，树脂性能对 重金属去除有较大影响。常用的离子交换树脂有阳离子交换树脂、阴离子交换树 脂、螫合树脂和腐植酸树脂等。阳离子交换树脂由聚合体阴离子和可供交换的阳 离子组成。用于c 一、c u 2 + 、z n 2 + 、n i 2 + 等重金属阳离子废水处理的树脂较多。 阴离子树脂是由高度聚合体阳离子和可供交换的阴离子组成。树脂上的阴离子主 要与废水的c r 2 0 7 2 或h c r 0 4 - 交换，从而达到净化c r 6 + 废水的目的。螯合树脂具 有螯合基团，对特定重金属离子具有选择性。腐植酸树脂是由腐植酸和交联剂交 联而成的高分子材料，含有酚羟基、甲氧基、羟基等官能团，具有阳离子交换和 络合能力。腐植酸树脂能在酸性条件下，将c r 6 + 还原。离子交换法是一种重要的 电镀废水治理方法。具有处理量大，出水水质好，可回收水和重金属资源的优点。 缺点是树脂易受污染或氧化失效，再生频繁，操作费用高。 1 1 2 5 氧化还原法1 1 7 ；1 8 l 在废水中加入氧化剂或还原剂。通过氧化、还原反应使废水中重金属离子向 更易生成沉淀或毒性较小的价态转换然后再沉淀去除，一般用于废水的预处理。 同本同冶矿业公司发明的铁粉法用于去除含铬废水，不仅能还原c ，而且可利 用铁活性较高固化重金属离子。以金属形式析出，利于重金属回收。目前已用于 中小型电镀厂排放的工艺废水的治理。缺点是占地面积大，废渣量大，须妥善处 理。 1 1 2 6 膜分离法1 2 ；1 9 ；2 0 1 膜分离法包括扩散渗析、电渗析、反渗透和超滤法等方法。这些方法能有效 地从重金属废水中回收金属，或使生产废液再生回用。膜分离方法在重金属废水 处理中起到了越来越重要的作用。扩散渗析是依靠膜两侧溶液的浓度差进行溶质 扩散的方法。扩散渗析效果主要与膜的物理化学性质，原液的成分、浓度、操作 条件( 温度、流速等) 、隔板型式等因素有关。扩散渗析是废水中的阴、阳离子， 利用离子交换膜对阴、阳离子的选择性透过而把废水中的阴、阳金属离子分离出 来的一种物理化学过程。但是存在的主要问题是膜组件昂贵，且在使用过程中膜 容易受到污染而导致通量下降，影响去除效果。随着滤膜技术在废水领域研究的 进一步深入，性能优良、价格便宜的滤膜组件将会随之产生，加之对生物膜过程 5 机理的研究和认识，模拟合成具有生物膜功能的人工膜，将会使膜分离技术进入 更新的阶段。 电渗析是以电能为动力的渗析过程，即废水中的金属由于在直流电场的作用 下，有选择地通过渗析膜所进行的定问迁移过程。电渗析是研究开发最成熟的膜 技术之二，目前主要用于电镀工业漂洗水回收重金属。用电渗析法处理电镀工业 废水，处理后废水组成不变，有利于回槽使用。反渗透是在浓液一边加上比自然 渗透压更高的压力( 一般操作压力为2 1 0m p a ) ，扭转自然渗透方向，把浓溶液 中的溶剂( 水) 压到半透膜的另一边稀溶液中，这是和自然界正常渗透过程相反 的，因此称为反渗透。反渗透过程必须具备两个条件，一是操作压力必须高于溶 液的渗透压；其二必须有高选择性和高渗透性的半透膜。采用反渗透技术处理重 金属废水，设备紧凑，操作简单，特别是能够实现重金属的回收，符合清洁生产 的原则，应用前景广阔。在压力作用下，使废水中的重金属离子和溶剂( 水) 分开， 滤液( 水) 透过滤膜到低压区排出，废水中重金属及微粒组分被膜截留，而以浓缩 液排出。因此，超滤膜具有选择性，表面层的主要作用是形成具有一定大小和形 状的孔，它的分离机理主要是靠物理的筛分作用。 重金属废水治理技术各种方法比较见表1 。 表1 1 重金属废水治理技术比较1 2 】 t a b l e1 - 1c o m p a r i s o no fh e a v ym e t a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g y l 2 】 6 1 1 3 重金属废水处理技术展望 1 1 3 1 发展方向a ：回收重金属 重金属废水中含有许多人类需要的贵重金属，因此它也是一种资源。如果可 以回收废水中的重金属，并加以合理利用，不仅能够解决中重金属废水的污染问 题，而且还能带来一定的经济效益。张永峰等人【2 l 】将络合超滤和电化学法集成 起来处理重金属废水，实现了废水回用和重金属回收，这种技术具有广阔的应用 前景。 此外植物修复技术也可以从富含金属的植物残体中回收贵重金属。广义上的 植物修复技术l 冽是指利用植物提取、吸收、分解、转化或固定土壤、沉积物、 污泥或地表、地下水中有毒有害污染物技术的总称。目前有关植物修复技术仍主 要集中在无机污染( 重金属) 植物修复上。重金属污染植物修复的内容主要包括植 物萃取、植物稳定、植物挥发、根系过滤和种苗过滤等。植物修复技术与其他的 技术相比具有技术和经济上的双重优势，实施较简便、成本较低和对环境扰动少。 植物不仅可以清除土壤中重金属污染物，还可以从富含金属的植物残体中回收贵 重金属，取得直接的经济效益。缺点是治理效率较低，不能治理重污染土壤。 1 1 3 2 发展方向b ：无毒、易于生物降解【2 1 】 目前重金属废水的处理方法，一般都是一种污染转移，将废水中溶解的重金 属转化成沉淀或是更加易于处理的形式，对这些物质最终的处置，通常是进行填 埋。然而，重金属对环境的危害依然长期存在，常常造成对地下水和地表水的污 染，对这种污染的治理常常需要付出更加昂贵的代价。 2 0 世纪8 0 年代以来，国外开始研究一种新的水处理技术，以去除废水中的 有机污染物和金属离子，即胶束增强超滤法( m i c e l l a r e n h a n c e du l t r a f i l t r a t i o n ，简 称m e u i o ，目前，胶束增强超滤使用的表面活性剂主要是有机合成的，的表面 活性剂都有一定的毒性，它们随着透过液进入到处理过的废水中，造成了二次污 染。因此，有的研究使用天然有机物，如卵磷脂等，具有表面活性剂功能的天然 物质来代替这些有机物，这样即使这些物质进入到处理过的废水中去，由于它们 无毒、易于生物降解，因此也不会对环境造成二次污染。 1 1 3 3 发展方向c ：节能、高效、低成本 在保证效率的日订提下，节约能源、降低生产成本是目前重会属污水处理的发 展方向。 7 节能、高效方面：生物吸附法【2 2 】是指生物体借助化学作用吸附金属离子p 生物吸附重金属离子主要包括静电吸引、络合、离子交换、微沉淀、氧化还原反 应等过程。其特点是在低浓度下，金属可以被选择性地去除；节能、处理效率高； 操作的p h 值和温度条件范围宽；吸附剂易再生回用；能利用从工业发酵工厂及 废水处理厂中排放出大量的微生物菌体，用于重金属的吸附处理，在废物利用的 同时也解决了重金属污染的净化问题。 低成本方面：利用廉价吸附剂处理重金属废水【2 1 】越来越受到重视，吸附法 是一种常用来处理重金属废水的方法，一些天然物质或工农业废弃物具有吸附重 金属的性能，其来源丰富，价格低廉，因而在使用后不必再生，可以直接处理掉， 大大降低了重金属废水的处理费。在废物利用的同时也解决了重金属污染的净化 问题。生物吸附法是目前处理重金属废水的一种行之有效的方法，特别是对于低 浓度废水，其优势明显，可达到以废治废的目的。 1 2 介电泳技术的理论与发展 1 2 1 引言 颗粒在电场中极化，如果外加电场均匀，物体受到了大小相等，方向相反的 两个作用力，不会发生位移，如图1 - 1 所示：如果外加非均匀电场，极化后颗粒 的正负电荷中心便处于不同的电场强度区域，受到不同大小的作用力发生位移， 如图1 2 所示，这种由物质的介电特性所引起的运动，称为介电泳，即颗粒在非 均匀电场中感应出电偶极子而引起自身 + 图1 1 均匀电场中极化粒子所受的力图1 2 非均匀电场中极化粒子所受的力 f i g u r e1 - 1p o l a r i z e dp a r t i c l e si nu n i f o r m f i g u r e1 - 2n o n u n i f o r me l e c t r i cf i e l di n e l e c t r i cf i e l df o r c e ss u f f e r e dt h ep o l a r i z a t i o nf o r c e so np a r t i c l e s 分子和微电极的n i 的发展，使得介电泳在颗粒的微操纵上得到了长足的发 展，广泛应用于生物、化学分离、监测、纳米等领域的交叉学科。由于介电泳的 8 特性，人们从理论和实验中不断探索不同物理因素对介电泳各方面性质的影响。 在此我们就主要物理参数对于介电泳的影响、介电泳的研究进展进行了综述 1 2 4 - 2 7 1o 1 2 2 介电泳理论模型的发展 1 2 2 1 介电泳理论的建立 1 9 7 8 年p o h l 2 4 l 建立了传统介电泳力的模型，均匀介质球的计算模型为 f o e p - 2 嬲艉厂3r e k ) e 磊 公式( 1 1 ) f d e 广粒子所受介电泳力； f 肘悬浮媒介的介电常数； 卜一粒子的半径； k b ) 克劳修斯莫索提因子； 二电场平方的梯度 电场角频率： 脚) 。箍 公式( 1 2 ) 。叫i 公式( 1 i l 3 ) 厶一、一j 7 用悬浮媒介的复合介电常数； s ，粒子的复合介电常数； 电场角频率； 电导率 k 0 卜。时，为j 下介电泳，粒子向场强梯度最大的方向移动，k ) 0 时，为 负介电泳，粒子向场强梯度最小的方向移动。由于k 是的函数，故调节频率可 以使不同的粒子受到不用方向的介电泳力，当r e k ( c o ) 】。o 时，f d e p = o ，此时 对应的频率为交越频率( c r o s s o v e rf r e q u e n c y ) 2 3 1 ，不同粒子的交越频率是不一 样的，针对这一特性，便可将传统介电泳应用于生物粒子的分离。 1 2 2 2 电动旋转介电泳的建立 1 9 8 8 年a m o l d 【冽建立了电动旋转介电泳，计算模型为 r - 一4 v r 譬r 3i m k 准2 公式( 1 4 ) r 电动旋转扭矩；其它同公式( 1 - 1 ) 电动旋转介电泳可用于粒子介电特性的测量、粒子的分离与捕获、并且以微 粒的旋转来区别不同的微粒1 2 6 1 等等。 1 2 2 3 行波介电泳的建立 1 9 9 2 年h u a n g 2 9 l 建立了行波介电泳，行波介电泳可用于粒子的分离和传输 等。计算模型为 二型号半遵 公式( 1 - 5 ) f t 帅i _ 珩波介电泳力； a 啵长 1 2 2 4 介电泳统一计算模式的建立 1 9 9 4 年w a n g 刈建立介电泳的统一计算模式，其理论依据为有效电偶极矩法。 f ( f ) - 2 a - t e m r a r e 【k ( ) 】v e 二，i m 【k ( ) 】( e 二v + e 二v + e 二v 钆) 公式( 1 6 ) 1 2 2 5d e p - - - e a g e 的建立 2 0 0 2 年m e d o r o 3 1 】等建立了一种基于三维电极结构的d e p c a g e 分离方法。 1 2 3 主要物理参数对于介电泳的影响 1 2 3 1 介电泳时间【3 2 】 增加介电泳时间可使电极间沉积碳管的密度增加。在利用d e p 和流体驱动 的碳纳米管组装研究中，谭苗苗f 3 2 l 等人发现，在对电极间施加一定的频率和电 压的交流信号，增加介电泳时间使电极问沉积碳管的密度增加。在其它参数相同 的情况下，介电泳时间越长，对电极问的碳管桥越密集。 1 2 3 2 电压 1 2 3 2 1 电压对沉积数量的影响 谭苗苗【3 2 l 等人发现，频率和介电泳时问一定，随着电压的增加，有更多的 碳管在电场作