活性炭用于從廢水中吸附去除微量鎘和鉛

　　重金屬鎘(Cd)和鉛(Pb)對(duì)水體的污染是全球性的環(huán)境挑戰(zhàn)�；钚蕴课�附法因其高效、經(jīng)濟(jì)及操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，成為去除廢水中微量重金屬的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文綜述了活性炭吸附去除水中鎘和鉛的機(jī)理，重點(diǎn)分析了以污泥、竹子、農(nóng)業(yè)廢棄物等可持續(xù)材料制備的活性炭性能，其去除率可高達(dá)99.99%。文章探討了比表面積、孔徑分布、表面官能團(tuán)以及溶液pH值、初始濃度等因素對(duì)吸附效能的影響，并通過(guò)準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)和Langmuir等溫線模型解析了吸附過(guò)程。最后，展望了磁性活性炭、生物分子修飾活性炭等新型復(fù)合吸附材料的未來(lái)發(fā)展前景。

　　隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，含有有毒重金屬鎘和鉛的廢水排放對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。這些重金屬離子具有高毒性、不可生物降解性和生物累積性，即使微量存在也可能通過(guò)食物鏈放大，引發(fā)腎臟損傷、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等多種健康問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)且環(huán)保的廢水深度處理技術(shù)至關(guān)重要。

　　在多種物理、化學(xué)和生物處理方法中，吸附法因其設(shè)計(jì)靈活、效率高、成本相對(duì)較低且易于操作而被廣泛采用。活性炭作為一種傳統(tǒng)且高效的吸附劑，其核心優(yōu)勢(shì)在于巨大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，研究重點(diǎn)從依賴化石燃料原料的傳統(tǒng)活性炭，轉(zhuǎn)向以污水污泥、農(nóng)業(yè)殘余物、林業(yè)廢棄物等可再生資源制備的可持續(xù)活性炭。這種轉(zhuǎn)變不僅降低了成本，實(shí)現(xiàn)了“以廢治廢”，也符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展理念。本文旨在系統(tǒng)闡述活性炭吸附去除鎘和鉛的原理、影響因素、材料創(chuàng)新及實(shí)際應(yīng)用，為廢水處理提供科學(xué)參考。

　　活性炭吸附重金屬的機(jī)理

　　活性炭對(duì)鎘、鉛離子的吸附是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，主要涉及以下幾種機(jī)理：

　　物理吸附：依賴于活性炭巨大的比表面積(可高達(dá)1946m²/g)和發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)(微孔、中孔)。重金屬離子通過(guò)范德華力被捕獲在孔隙內(nèi)部。例如，污泥基活性炭(SBAC2)的比表面積達(dá)498.386m²/g，為其高效吸附提供了基礎(chǔ)。

　　化學(xué)吸附：活性炭表面富含的含氧官能團(tuán)(如羧基-COOH、羥基-OH)與Cd²⁺、Pb²⁺發(fā)生離子交換、表面絡(luò)合等化學(xué)反應(yīng)。研究表明，吸附過(guò)程更符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，表明化學(xué)吸附是限速步驟。

　　靜電相互作用：溶液pH值影響活性炭表面電荷和重金屬離子的存在形態(tài)。在較低pH下，大量H⁺會(huì)與金屬離子競(jìng)爭(zhēng)吸附位點(diǎn);隨著pH升高，活性炭表面負(fù)電荷增加，通過(guò)靜電引力更易吸附帶正電的金屬離子。

　　不同來(lái)源活性炭的性能比較與改性策略

　　為提升活性炭的性能并降低成本，研究者開(kāi)發(fā)了多種基于廢棄物的活性炭及其改性產(chǎn)品。

　　污泥基活性炭

　　將城市污水處理產(chǎn)生的污泥轉(zhuǎn)化為活性炭，是資源化利用的典范。一項(xiàng)2024年的研究開(kāi)發(fā)了兩種污泥基活性炭(SBAC1和SBAC2)，在實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)Cd²⁺和Pb²⁺的去除率接近99.99%。該材料經(jīng)五次連續(xù)吸附-再生循環(huán)后仍保持高吸附容量，顯示出良好的經(jīng)濟(jì)性和重復(fù)使用潛力。

　　生物質(zhì)基活性炭

　　以農(nóng)業(yè)廢棄物為原料制備的活性炭也表現(xiàn)出色。例如，竹子活性炭處理酸性煤礦地下水時(shí)，在優(yōu)化條件下對(duì)Cd²⁺的去除率達(dá)98.11%，并能有效中和水體酸性。

　　改性及復(fù)合活性炭

　　通過(guò)物理或化學(xué)改性，可以顯著增強(qiáng)活性炭的吸附性能。

　　磁性改性：在活性炭中負(fù)載Fe₃O₄等磁性顆粒制成磁性活性炭(MAC)。研究表明，MAC在去除Pb²⁺時(shí)效能顯著優(yōu)于普通活性炭，且在吸附后可通過(guò)外加磁場(chǎng)快速分離，便于回收。

　　生物分子修飾：創(chuàng)新的研究將蛋白質(zhì)(如β-乳球蛋白)與活性炭結(jié)合。計(jì)算模擬和實(shí)驗(yàn)表明，β-乳球蛋白能為Cd²⁺和Pb²⁺提供多個(gè)特異性結(jié)合位點(diǎn)，形成增強(qiáng)型復(fù)合材料，在極低添加量(0.05-0.2%)下即可顯著降低重金屬的生態(tài)毒性。

　　影響吸附性能的關(guān)鍵因素

　　活性炭對(duì)重金屬的吸附效率受多種操作參數(shù)和環(huán)境條件的影響：

　　溶液pH值：這是最關(guān)鍵的因素之一。通常，在中性至弱堿性條件(pH6-8)下吸附效果最佳，因?yàn)榇藭r(shí)重金屬離子水解程度低，且活性炭表面負(fù)電荷較多，利于靜電吸附。

　　初始濃度與吸附劑投加量：重金屬初始濃度越高，所需達(dá)到平衡的吸附劑投加量一般也越大。存在一個(gè)經(jīng)濟(jì)高效的最佳投加比。

　　接觸時(shí)間與溫度：吸附過(guò)程通常在初期較快，隨后逐漸達(dá)到平衡。大多數(shù)研究顯示，吸附鎘和鉛的過(guò)程是吸熱和自發(fā)的，適當(dāng)升高溫度有利于吸附進(jìn)行。

　　共存離子：實(shí)際廢水中常存在多種競(jìng)爭(zhēng)離子(如Ca²⁺、Mg²⁺、其他重金屬)，它們會(huì)競(jìng)爭(zhēng)活性炭上的有限吸附位點(diǎn)，可能降低目標(biāo)重金屬的去除效率。

　　實(shí)際應(yīng)用與挑戰(zhàn)

　　活性炭吸附技術(shù)已從實(shí)驗(yàn)室研究走向?qū)嶋H工程應(yīng)用。例如，竹子活性炭工藝已被用于處理煤礦酸性污染地下水，使出水中的Cd²⁺濃度從超標(biāo)狀態(tài)降至0.005mg/L，滿足《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水要求。歐盟新版城市廢水處理指令也預(yù)計(jì)將創(chuàng)造每年27萬(wàn)噸活性炭的巨大需求，推動(dòng)基于殘余木材等生物質(zhì)的可持續(xù)活性炭生產(chǎn)。

　　然而，該技術(shù)在實(shí)際推廣中仍面臨挑戰(zhàn)：

　　1.成本問(wèn)題：高性能活性炭(尤其是改性炭)的制備成本仍較高。

　　2.競(jìng)爭(zhēng)吸附：復(fù)雜廢水基質(zhì)中多種污染物的共存會(huì)降低目標(biāo)重金屬的去除效率。

　　3.再生與處置：飽和活性炭的再生能耗較高，而最終固體廢棄物的安全處置也需要考慮。

　　未來(lái)的研究將集中于開(kāi)發(fā)選擇性更強(qiáng)、再生性能更優(yōu)、成本更低的復(fù)合吸附材料，并優(yōu)化其在實(shí)際連續(xù)流廢水處理工藝中的應(yīng)用參數(shù)。

　　活性炭吸附技術(shù)是去除廢水中微量鎘和鉛的一種極具前景的方法。利用污泥、竹子、農(nóng)業(yè)廢棄物等可再生資源制備活性炭，不僅實(shí)現(xiàn)了廢物資源化，還以低成本獲得了高性能吸附劑，其對(duì)Cd²⁺和Pb²⁺的去除率可超過(guò)99%。通過(guò)磁性改性、生物分子修飾等策略，可以進(jìn)一步賦予活性炭易于分離或高選擇性的優(yōu)勢(shì)。盡管面臨實(shí)際廢水成分復(fù)雜等挑戰(zhàn)，但隨著材料科學(xué)的進(jìn)步和工藝的優(yōu)化，活性炭吸附技術(shù)必將在重金屬?gòu)U水凈化領(lǐng)域發(fā)揮更核心的作用，為保障水環(huán)境安全和人類健康做出重要貢獻(xiàn)。

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