固体吸附剂对重金属元素吸附脱除的研究.doc

固体吸附剂对重金属元素吸附脱除的研究李宇辉（华南师范大学 化学与环境学院 广东 广州 510000）摘要：固体吸附剂对重金属的排放具有吸附作用,并且吸附剂对不同的重金属元素的吸附有选择性。吸附剂吸附重金属元素是通过物理吸附和化学吸附,其中它们在吸附过程中是共存的。通过添加固体吸附剂来抑制重金属的排放被广泛认为是一项有前景的技术。本文主要以燃煤飞灰和活性污泥两种固体吸附剂为例，探究固体吸附剂对重金属元素的吸附机理和对不同对象的吸附效果。关键词：固体吸附剂 重金属 燃煤飞灰 活性污泥现在的很多工业部门，在其生产过程产生的废气、废水中，都会含有或多或少的重金属元素。这些重金属元素如果不经过处理而直接排放，不仅会严重污染大气和水体，造成生态破坏，而且会通过各种途径在人体内富集，对人体会产生长期的、不可想象的危害。因此，研究出一种对重金属元素有良好吸附脱除作用的吸附剂有非常重要的意义。通过添加固体吸附剂来抑制重金属的排放被广泛认为是一项有前景的技术。在不同的环境下，对不同的吸附对象要用不同的固体吸附剂，下面来举两个例子： 燃煤飞灰对废气中重金属元素的吸附煤是我国能源消费结构中占比重最大的燃料。煤中的痕量重金属元素，在煤燃烧过程中，随着温度的升高，痕量元素如Hg、Pb、Cr、Cd等会挥发出来并附着在亚细微米颗粒上，随之排入大气中，对生态环境和人体造成危害。亚细微米颗粒在大气中主要以气溶胶形式存在，不易沉降，其化合物不易被微生物降解，可以在人体内沉积，并可以转化为毒性很大的有机化合物。现有的除尘设备对直径小于1m的颗粒的捕获效率不是很大，目前比较经济有效的方法是采用固体吸附剂对其进行控制，以减少金属挥发的数量和捕获挥发的金属蒸气。这种方法是通过物理吸附和化学反应固定痕量金属化合物,并将它们转化为对环境无害的形式。国内外研究表明，固体吸附剂对烟气中的金属蒸气的清除非常有效。1 煤燃烧过程中生成的飞灰实际上是一种吸附痕量重金属的固体吸附剂,而飞灰结构和组分，灰中含碳量以及烟气温度等因素对飞灰吸附脱除痕量重金属有不同的影响。研究表明,这种吸附脱除机理是一种复杂的物理吸附和化学反应及化学吸附的组合,飞灰本身的结构特性和化学组分对痕量元素的吸附影响很大,烟温也是关键的影响因素,而灰中含碳量对其影响很小。2 煤中的痕量重金属元素在高温下从煤中释放出来,一部分汽化后呈气态存在,在烟气逐渐降温的过程中,痕量元素蒸气会形成很小的气溶胶基核,并在其周围的灰粒上凝结富集,其凝结的数量与痕量元素的挥发性及灰粒比表面积的大小有很大关系,而痕量元素的挥发性是与痕量元素在煤中的赋存形态以及燃烧工况(主要是温度和气氛) 等因素有关;灰粒比表面积的大小则与灰粒粒径和孔隙结构特性因素有关。这些因素均表现出物理吸附的特征。实际上,对于痕量元素,除了物理吸附外,还存在着化学吸附。这是由于灰粒含有多种矿物质组分,包括多晶体的聚合物、非晶体和玻璃状矿物质,其主要成分(表1) 为K、Na 、Ca 、Si 、Fe 、Al 和Ti 等,主要以氧化物、硅酸盐和铝硅酸盐形式存在。当然,灰粒里面还存在一些痕量元素,一般都以非水溶性形态存在于硅酸盐和铝硅酸盐晶格上。这些矿物质组分在一定温度条件下可以和痕量元素蒸气发生化学反应,以新的化合物吸附在灰粒上。显然,这种化学吸附与痕量元素物理化学性质、灰中矿物组分以及烟温等因素有关。3华中科技大学的许绿丝等人通过对小龙潭褐煤和平顶山烟煤两个地方的煤样在马弗炉中燃烧，并采用美国热电仪器系统公司生产的痕量扫描等离子体发射光谱仪( ICP AES) 测定灰中痕量元素，得出以下结论：(1) 飞灰本身的结构特性和化学组分对痕量元素的吸附影响很大,其中烟煤灰对Cd 的吸附量要高于褐煤灰,褐煤灰则对Se 吸附量更大。(2) 烟温是影响痕量元素吸附脱除的关键参数,对于Cd 元素,温度高则吸附脱除量大,但对Se 则不然。(3) 飞灰含碳量对Cd 的吸附影响不大;对挥发性较强的Se 有一定影响,其吸附脱除量随含碳量增加而有少量增加。4 活性污泥对废水中重金属元素的吸附由于种种原因,城市生活污水中含有一定量的重金属,这些重金属在处理过程中如何变化,在污水和污泥中如何分布,有哪些重要因素影响它们的行为,都是值得研究的问题. 针对我国城市生活污水的水质和成分,研究活性污泥法在不同条件下处理城市生活污水过程中重金属的行为,可以为污水处理过程中条件的控制和污泥的处理提供理论依据. 影响活性污泥对重金属的去除的影响因子主要可分为操作参数、物理或化学因子、生物因子. 其中操作参数有:SVI(污泥体积指数) 、有机负荷、泥龄、MLSS、DO、吸附时间、驯化程度等。5国内外诸多研究表明,活性污泥ECP(胞外多聚物) 能大量吸附溶液中的金属离子,尤其是重金属离子,它们与ECP 的络合更为稳定. 生物体吸收金属离子的过程主要有两个阶段. 第一个阶段是金属离子在细胞表面的被动吸附,微生物的细胞表面主要由多聚糖、蛋白质和脂类组成,这些组成中可与金属离子相结合的主要官能基团有羧基、磷酰基、羟基、硫酸脂基、氨基和酰胺基等,他们有着吸附不同重金属离子的结合点位,不同价态或不同电荷的金属离子可以在不同的点位与ECP 结合,如中性糖的羟基、阴离子多聚物的羟基都可能是金属的结合位。 此阶段的特点是速度快、时间短,缘于电荷间的相互作用,是一个物理化学过程而和生物活性无很大关联。另一阶段是活体细胞的主动吸附,即细胞表面吸附的金属离子与细胞表面的某些酶相结合而转移至细胞内,它包括传输和沉积,这一阶段速度较慢,时间较长。6广东茂名学院的谭丽泉等人通过对取自广州市猎德污水处理厂A 段和B 段的沉淀池和广州大坦沙污水处理厂二沉池的活性污泥样本进行实验分析得出：活性污泥对Cu2+ 、Zn2+ 、Cd2+ 、Ni2+ 有良好的吸附作用,在四种离子共存时,吸附顺序如下:Cu2+Zn2+Cd2+Ni2+。吸附时间对重金属的去除有较大的影响,活性污泥对重金属吸附初期存在一个快速的过程。Cu2+在45min 时即已接近吸附的最大值。Zn2+、Cd2+、Ni2+三种离子也在振荡15min时接近吸附的最大值。此外,Cu2+、Zn2+、Cd2+等离子在吸附过程中主要是与直径大于8m的活性污泥颗粒结合,而Ni2+则主要和较小的污泥颗粒结合。7 事实上，固体吸附剂是一个很广泛的概念，废气废水中重金属元素的吸附脱除原理和途径也是多种多样的。因此，固体吸附剂对重金属元素的吸附脱除作用有很大的研究空间。如何在具体的生产环境中使用合适的固体吸附剂，将是一个有着广阔前景的研究课题。参考文献：1陆继东,余亮英,张娟.固体吸附剂对流化床燃烧中痕量元素控制研究.中国电 机工程学报,2004年3月第24卷第3期2韩军,徐明厚,曾汉才,詹靖.分级燃烧对固体吸附剂吸附痕量金属的影响. 热能动力工程, 2004年1月第19卷第1期3程俊峰,韩军,刘迎辉,曾汉才,徐明厚,雒昆利.分级燃烧中固体吸附剂对痕量金属排放的影响.环境科学,2001年11月第22卷第6期4许绿丝,程俊峰,曾汉才.燃煤飞灰对痕量重金属吸附脱除的研究.热力发电，2004（04）5梁郁强,贾宗剑,江