国内外同类研究概况
我国水资源总储量约２．８１万亿 ｍ3，居世界第六，但人均水资源量不足２４００ｍ３，仅为世界人均占水量的１／４，是全世界人均水资源最少的国家之一。与此同时，随着我国经济高速增长，城市化水平不断提高，水污染问题日趋严重。根据《全国环境统计公报》显示，２０１２年全国废水排放总量６８４．８亿ｔ，其中工业 废 水 排 放 量 ２２１．６ 亿ｔ，占 废 水 排 放 总 量 的３２．３％；城镇生活污水排放量４６２．７亿ｔ，占废水排放总量的６７．６％；集中式污染治理设（不含污水处理厂）废水排放量０．５亿ｔ，占废水排放总量的０．１％。工农业废水、城市生活污水及各种采矿废水均含有大量重金属，这些重金属严重威胁生物和人体健康。有些重金属虽是人体健康不可缺少的元素，但其含量甚微，如果超量就会对人产生严重后果，导致肾病、皮炎症、神经麻痹障碍、角膜炎、细胞坏死等疾病，甚至致癌致畸，如震惊世界的水俣病及骨疼病就是由于含汞和含镉重金属废水污染所致。由于重金属不易降解且毒效长期持续，使得水体重金属污染已经成为当今世界上最严重的环境问题之一，如何科学有效地解决重金属物质对水体的污染已成为各国政府以及广大环保工作者研究的热点。去除水体重金属污染物的方法主要有化学沉淀法［４］、电解法［５］、离子交换法［６］和吸附法等。化学沉淀法是通过添加化学物质与重金属离子反应生成沉淀物，经凝聚、沉降、浮选、过滤、离心等一系列工艺过程，将离子态重金属转化为不溶性的重金属盐和无机颗粒一起沉降的方法。化学沉淀法能够将污水中的重金属离子除去，却生成了金属盐污泥，产生了二次污染物。同时，该法还存在金属离子选择性差、设备投资大、处理量小、占地面大、运行成本高等缺点，不能有效地解决重金属离子再生利用等题。电解法是重金属离子在阴极表面得到电子被还原为金属的方法，其主要优点是无二次污染，重金属可回收利用。但电解法也存在很大的缺点：阴极电流效率较低，沉积速度较慢；稀溶液电解过程中有大量氢气放出致使电流效率更低，难以达到深度净化的；投资成本高、电耗大等。因此，电解法可用于处理重金属离子度高的废水，处理效率高并便于回收利用，一般不用于处理重金属离子浓度较低的废水。离子交换法是通过树脂交换剂的自由移动离子与重金属离子交换达到水处理的目的。离子交换的动力在于功能性树脂中含有的各种活性基团（如大量的羟基、羧基、氨等）生螯合反应。阳离子交换树脂和阴离子交换树脂是常见的功能性树脂。阳离子交换树脂一般用于去除废水中 Ｃｕ２＋、Ｚｎ＋Ｃｒ３＋和 Ｎｉ ２＋等重金属离子；阴离子交换树脂通过可供交换的阴离子与废水的 Ｃｒ２Ｏ７２－或 ＨＣｒＯ４－交换，实现净化含 Ｃｒ６＋废水的目的。与化学沉淀法和电解法相比，离子交换法具有一定的优势，已成为废水中重金属离子处理的优选方法之一。但离子交换法也有一次性投资比较大，树脂易受污染或氧化失效，再生频繁，操作费用较高等缺点。吸附法是利用吸附剂高比表面积和多孔结构的特性将重金属离子去除的方法，因其具有高效、经济、简便、选择性好等特点，在工业领域应用广泛。
1 吸附法的分类和机理
根据吸附机理进行分类，主要有物理吸附和化学吸附。
(1) 物理吸附
物理吸附是吸附剂通过分子间作用力吸附重金属，对溶液的 p H 值依赖性普遍较大。常用的活性炭、分子筛、沸石等廉价易得的吸附剂，具有较高的比表面积或表面具有大量微孔、空腔、通道等高度发达的空隙结构，同时也有高效的吸附效果，可循环利用。肖乐勤等采用HNO和 H2O对活性炭纤维（ACF）进行氧化改性，并用静态吸附法考察了不同条件下 ACF 对水体中 Pb2 的吸附。结果表明：改性前后样品对 Pb2 的吸附速率均较高，吸附平衡时间为 5 min；饱和吸附容量由改性前的 32.5 mg/g 增加到改性后的
75 mg/g；ACF 对水体中 Pb2 的吸附具有较强的p H 值依赖性，当 p H 值达到 5.5时，吸附容量达到最大值。朱彤等[4]采用 13X 分子筛，以含锰废水为实验对象，研究了该分子筛对Ca2 、Mn2 、Mg2 的吸附，结果表明：13X 分子筛在处理低浓度含锰废水方面表现出良好的应用前景。Huang 等在低温高真空条件下制备了石墨烯薄片，该石墨烯片在吸附 N2时的比表面积为 400 m2/g，但在溶液中吸附亚甲基蓝时的比表面积达到1000 m2/g。通过该石墨烯薄片对水溶液中的 Pb2 进行吸附研究，发现该石墨烯薄片对水溶液中 Pb2 的吸附具有很强的 p H 值依赖性。当 p H 值从 3 增加到5 时，石墨烯薄片对水溶液中 Pb2 的吸附容量增加较快；当 p H 值大于 7.6 时，水溶液中 Pb2 的脱除率达到 100%，这是物理吸附和化学沉淀的协同作用的结果。
(2)化学吸附
化学吸附是通过电子转移或电子对共用形成化学键或生成表面配位化合物等方式产生的吸附。产生化学吸附的吸附剂分子通常含有羟基、氨基、羧基等具有优良的吸附、螯合、交联作用的基团，能够与废水中的重金属离子进行螯合，形成具有网状笼形结构的化合物，有效地吸附重金属离子，或是与重金属离子形成离子键、共价键以达到吸附重金属离子的目的。刘立华等以丙烯酰胺、CS2和Na OH 为原料合成了一种高分子重金属螯合絮剂-聚丙烯酰胺黄原酸（PAMX），研究了投加量、废水的 p H 值和特性黏数对含 Cu2 、Ni2 的模拟废水的去除效果，结果表明：PAMX 处理 Cu2 、Ni2 含量分别为 25 mg/L、50 mg/L 的模拟废水，残余重金属离子浓度均能达到国家污水综合排放一级标准，有较宽的 p H 值适用范围，特性黏数为 1.63 d L/g时处理效果最佳。Chen 等[7]将一锌铝系变色酸插入到水滑石中，并用其对水溶液中 Cr(Ⅵ)和 Cu2 的吸附性能进行了试验研究，结果表明：它对水溶液中的 Cr(Ⅵ)和 Cu2 的吸附具有高度选择性，当 Cr(Ⅵ)或 Cu2 的浓度从 200 mg/kg 增加到 10000 mg/kg 时，它对 Cr(Ⅵ)、Cu2 的最大吸附容量分别为 782 mg/g、450 mg/g，且它的吸附动力学曲线也较好的符合准二级动力学模型。Wang 等[8]以甲基丙烯酸、乙烯、乙二胺为原料，制备一种新的多孔螯合纤维，通过动态吸附研究了该树脂对水中 Pb2 的除效果，结果表明：它们对水溶液中 Pb2 的初始吸附速率为394.084 mg/(g·min)。该树脂对 Pb2 的饱和吸附量超过 500 mg/g，可以用 0.1 mol/L 的 HCl 和 0.1 mol/L的乙二胺四乙酸（EDTA）进行再生，能重复使用 5次以上。Al Hamouz 等[9]采用一种新颖的交联聚磷酸酯，试验研究了其对水溶液中 Pb2 和 Cu2 的去除效果，结果表明：聚磷酸酯对水溶液中 Pb2 和 Cu2 的最大吸附容量分别为 2.76 mmol/g、2.22 mmol/g，其吸附行为符合二阶动力学模型以及朗缪尔和弗伦德里希吸附等温线模型。
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