【《污水中磷、镉和铜污染的现状文献综述》3800字】

污水中磷、镉和铜污染的现状文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u16033污水中磷、镉和铜污染的现状文献综述 1288421.1磷、镉和铜污染的危害 1284701.2去除磷、镉和铜污染的方法 1165271.3离子印迹技术去除磷、镉和铜污染的应用 41209参考文献 6水体中的磷污染主要是无机磷和有机磷成分。磷污染主要来源于工业生产中磷矿石的开发、日常生活中洗涤剂、养殖业的化肥农药的施用。常见的镉、铜污染水体主要来源于工业生产。水体中镉污染产生于焊接、电池电镀、核裂变反应堆等生产活动中用水的排放。污水中铜的来源则是铜锌矿的开采和冶炼、金属加工、机械制造、钢铁生产等过程。1.1磷、镉和铜污染的危害磷是生态系统中重要的微量营养素，广泛存在于动植物组织中，但诸如采矿、工业和农业用途以及城市用水来源等过度的磷排放会导致水体富营养化[5]。有研究表明[6]，水体中的金属镉非常容易在植物和动物体累积，水稻田中的大米累积的镉含量比鱼的更大，并且水稻土中镉污染主要来自于开采活动和过量磷肥。铜作为一种微量营养素，是人体健康不可缺少的元素，但当摄入量大大超过了正常值时，会引起人体胃肠紊乱、气管炎、肾脏损伤等不良反应，严重的会发展成骨癌。Grzegorz等人[7]通过追踪研究铜冶炼厂排放的污染物发现，不但铜冶炼粉尘会从不同途径对人体产生伤害，而且最后沉积在土壤中的铜会影响食物的产量。1.2去除磷、镉和铜污染的方法工业废水和生活污水中存在的许多重金属都是不可再生资源，基于循环经济的理念，重金属的去除是净化水体的重要途径之一[8]。目前去除水中重金属和磷常用的方法有吸附，化学沉淀，生物法，高级氧化法等，这些方法各有其优缺点。1.2.1化学沉淀法化学沉淀法在去除磷和重金属在工业中应用最常见的，主要原因是处理过程简单易控制，操作成本低。化学沉淀法是利用pH调节将污染物转化为氢氧化物、硫化物、碳酸盐、螯合物剂或其他较难溶解的化合物，然后通过沉淀、浮选等物理方法去除这些化合物。使用铁或铝盐进行化学沉淀是最常用的技术，在水和废水处理厂中起着重要作用。据文献调研，以铁离子为核心的多羟基多络合体的复合阳离子型无机高分子絮凝剂，能够对带负电荷的磷酸根产生强烈络合作用。Zheng等[9]人采用高铁酸盐(VI)作为多功能处理剂化学强化一级处理处理城市污水，有效去除难降解的溶解性有机磷（49%）。但该法所用药量大，处理费用较高，且产生大量的化学污泥。除去上述的络合沉淀金属离子的传统方法，纳米零价铁不但具有超强的还原活性，而且具备优越吸附性能，能够有效沉降多种金属离子。Azzam等人[10]采用商业水分散体纳米零价铁（nZVI）对水溶液中的Cd(II)、Cu(II)、Ni(II)和Pb(II)进行沉降处理，其中nZVI与重金属的质量比为7-9:1，纳米颗粒与重金属形成更大的结构，很容易通过过滤将其从水中去除，但释放的铁会对水体造成二次污染，对于低浓度重金属废水，其处理效果较差。1.2.2生物法生物法是利用微生物的生长繁殖来达到去除污水中的污染物的目的，常用的生物法包括曝气生物滤池、膜生物反应器以及生物活性炭等。He[11]课题组首次利用池塘-沟渠循环系统修复农村污水，该系统高通量测序含有的磷好氧生物吸收的优势类群芽孢杆菌属和梭状芽孢杆菌属对总磷的去除率较高（77.8%~97.4%）。植物和微生物对废水中的金属离子的去除是通过生物本身的化学结构和成分特性（如胞外聚合物，细胞结构等）来富集金属离子，再通过固液分离去除金属离子。Feng[12]课题组提出一种新型微生物金属富集回收细胞，在自产电的驱动下，金属离子可以从废水中原位分离，并在阴极室中富集，将污染废水中Cu(II)和Cd(II)的初始浓度由5mg/L下降到0.2mg/L。在不与其他技术联用的情况下，生物法修复周期较长，对处理环境有较高的要求。1.2.3高级氧化法高级氧化法是现代工业废水处理应用最广泛的一项技术，它是利用反应过程中产生活性很强的羟基自由基（•OH），将污染物转化为CO2和H2O等无毒无害物质。Gray[13]等人评估TiO2/UV光解非活性磷物种的使用，通过在紫外光照射光氧化非活性磷，释放的氨基乙基膦酸吸附在TiO2固体表面，处理城市污水的总磷去除率在90~97%之间，工业污水的总磷去除率为44%。高级氧化法适合处理含络合态重金属离子工业废水，不但可以解络合重金属，而且可将配体降解去除。Huang[14]等人利用臭氧氧化技术处理含酸性电镀废水中的Cu(II)-EDTA，最终酸性pH值由环中性转变为环中性，脱羧后对Cu(II)沉淀去除率达到90-97%。高级氧化技术在的优势有氧化速度快、适用范围广、氧化性强等。但是处理成本高，受外界条件影响大最终本质还是通过吸附法去除金属离子。1.2.4吸附法吸附法的原理为利用吸附剂中存在的密集孔道、比表面积，或利用吸附剂的微晶结构，以及吸附剂表面存在的各种基团与污染物分子之间的相互作用，实现去除污染物的目的。据文献报道，水体中磷酸盐及镉、铜等重金属离子的吸附去除采用生物炭[15]、多孔氧化镁[16]、多孔锆基蒙脱土[17]、壳聚糖及其衍生物[18]等材料具有良好的吸附性能。除了传统天然吸附剂材料及其材料改性外，近年来新型的材料如金属有机框架[19]、镧基纳米聚合物[20]、石墨烯[21]、Mxenes[22]、纳米金属氧化物[23]、离子印迹聚合物[24]等吸附材料对磷酸盐及镉、铜等重金属离子效果良好，并且有的材料对个别离子具备选择性吸附能力。吸附法因其成本低、操作简便、与有毒物质的相容性好等优点，被公认为是去除水溶液中重金属和磷效果较好的方法之一。1.2.5膜分离膜分离技术是一种新兴的高效分离、浓缩、提纯和净化的技术，具有分离效率高、能耗低、占地面积小等特点，膜分离技术逐渐取代传统的萃取、精馏等分离技术，是新兴的分离技术之一[25]。膜分离的微滤、超滤、纳滤、反渗透及其集成技术广泛运用于水处理，并逐渐成为解决污水处理的主要技术之一。目前行业正朝着双膜法、多膜法等混合膜处理方向发展，针对不同分子量物质进行梯度分离，实现水与其他物质的资源回收和再利用，减少废水[26]、有机溶剂[27]、金属离子[28]等污染物的排放，达到节能减排的目的。膜分离处理工业废水对镉、铜等重金属离子的处理的研究屡见不鲜。Zhang[29]以多孔粉煤灰陶瓷为载体的二氧化钛纳米纤维膜，对Cu(II)的去除率为90.15%，对Cd(II)的吸附量为9.56mg/g，在光降解过程中，罗丹明B促进了剧毒Cr(VI)还原为Cr(III)，Cr(VI)的最高去除率达到97.09%，虽然膜的水通量达到223LMH，但是无法实现金属离子的选择性分离。这是因为膜天然的截留机制，膜分离对金属离子的选择性与水通量的“跷跷板效应”始终难以解决。图1-1陶瓷膜分离铜镉离子、降解分离罗丹明B及六价铬[29]Fig.1-1ProposedphotocatalyticmechanismofTNM-PFACS[29]1.3离子印迹技术去除磷、镉和铜污染的应用印迹技术在对水体中的磷酸盐应用主要集中在制作选择性识别电极传感器。Özkütük等人[30]以壳聚糖和3-(2-氨基乙基氨基)丙基三甲氧基硅烷作为功能单体制备磷酸盐离子选择性电极，尽管电极传感器灵敏性非常高，检出限高达2.5×10-7mol/L，但电极的选择性需要进一步优化数据，也并没有对不同形态的磷酸盐的选择性检出限进行研究。其他相关磷酸盐离子印迹聚合物的研究应用并不多见。印迹技术去除水体中的镉和铜污染的研究已有诸多相关报道。镉离子印迹聚合物作为吸附剂处理水体中的镉离子污染。Yang等人[31]制备一种球对球的镉离子印迹聚合物，将其应用于固相萃取柱中对Cd2+进行富集，但其吸附量仅仅为41.2mg/g。Cao等人[32]将印迹聚合物在核壳介孔二氧化硅颗粒内成功组装成高比表面积并应用与固相萃取选择性吸附Cd2+，其对Cd2+的吸附量也仅为201.9μmol/g。目前，没有相关镉离子印迹膜的相关报道。科研工作者从不同的角度研究离子印迹聚合物。Liu等人[33]探讨了阴离子对Cu(II)离子印迹聚合物聚合和吸附过程的影响。研究表明，以不同的阴离子铜盐合成的铜离子印迹聚合物会对吸附性能产生显著的影响，在选择性实验中，模板中不同阴离子合成的Cu(II)-IIP的吸附选择性顺序为CH3COO−>Cl−>SO42−>NO3−。这种研究角度新奇，能够对未来的研究工作具有指导作用。将印迹技术其他技术的联用能够解决更多实际问题，Liu等人[34]提出电化学辅助印迹和洗脱，将离子印迹技术与电化学开关离子交换技术结合，在碳布上用亚铁氰化钾和吡咯制备铜离子印迹膜，用于去除水溶液中低浓度的Cu2+。当Cu2+浓度为5ppm时，离子印迹膜对Cu2+的去除率达到90%以上，经过五次循环使用，铜离子印迹膜的去除率仍为95.13%。图1-2核壳介孔二氧化硅颗粒内组装镉离子印迹聚合物应用于固相萃取[32]Fig.1-2Ion-imprintedpolymersassembledincore-shellmesoporoussilicaparticlesandappliedforsolidphaseextraction[32]图1-3碳布上用亚铁氰化钾和吡咯制备铜离子印迹膜[34]Fig.1-3Copperionimprintedfilmwaspreparedbypotassiumferrocyanideandpyrroleonthecarboncloth[34]参考文献[1]BetihaMA,MoustafaYM,El-ShahatMF,RafikE.Polyvinylpyrrolidone-aminopropyl-SBA-15schiffbasehybridforefficientremovalofdivalentheavymetalcationsfromwastewater[J],JournalofHazardousMaterials,2020,397:122675.[2]SamahNA,RosliNAM,ManapAHA,AzizYFA,YusoffMM.Synthesis&characterizationofionimprintedpolymerforarsenicremovalfromwater:avalueadditiontothegroundwaterresources[J],ChemicalEngineeringJournal,2020,394:124900.[3]YangM,LiPH,ChenSH,XiaoXY,TangXH,LinCH,HuangXJ,LiuWQ.Nanometaloxideswithspecialsurfacephysicochemicalpropertiestopromoteelectrochemicaldetectionofheavymetalions[J],Small,2020,16:202001035.[4]WangP,YuanYH,XuK,ZhongHS,YangYH,JinSY,YangK,QiX.Biologicalapplicationsofcopper-containingmaterials[J],BioactiveMaterials,2021,6(4):916-927.[5]ZhuSD,KhanMA,WangFY,BanoZ,XiaMZ.RapidremovaloftoxicmetalsCu2+andPd2+byaminotrimethylenephosphonicacidintercalatedlayereddoublehydroxide:acombinedexperimentalandDFTstudy[J],ChemicalEngineeringJournal,2020,392:123711.[6]LiuJW,LuY.ADNAzymecatalyticbeaconsensorforparamagneticCu2+ionsinaqueoussolutionwithhighsensitivityandselectivity[J],JournaloftheAmericanChemicalSociety,2007,129(32):9838-9839.[7]WorldHealthOrganization,Inter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