工厂废水中重金属离子去除的吸附材料优化研究

引言

在现代工业生产过程中，诸如电镀、冶金、化工等行业会产生大量含有重金属离子的废水。这些重金属离子若未经有效处理直接排放，会在水体、土壤等环境介质中不断积累，不仅破坏生态平衡，还会通过食物链进入人体，引发多种疾病。因此，寻求高效、经济的重金属离子去除方法成为环保领域的研究热点。吸附法作为一种常用的处理方法，其核心在于吸附材料的性能。优化吸附材料，提高其对重金属离子的吸附能力和选择性，对于提升工厂废水处理效果具有重要意义。

一、常见吸附材料的性能分析

（一）活性炭类吸附材料

活性炭具有丰富的孔隙结构和巨大的比表面积，这使其具备较强的吸附能力。它对多种重金属离子如铅、镉、汞等都有一定的吸附效果。其吸附机制主要包括物理吸附和化学吸附，物理吸附依靠范德华力，化学吸附则与表面官能团有关。然而，活性炭的成本相对较高，且在吸附饱和后再生困难，这在一定程度上限制了其大规模应用。在实际工厂废水处理中，需要考虑其成本效益，合理选择使用场景。

（二）矿物类吸附材料

常见的矿物类吸附材料有沸石、蒙脱石、高岭土等。沸石具有规则的孔道结构和较高的离子交换能力，对重金属离子的吸附具有一定的选择性。蒙脱石作为层状硅酸盐矿物，具有较大的层间域和阳离子交换容量，能通过离子交换作用吸附重金属离子。这类材料来源广泛、成本较低，但吸附性能相对较弱，通常需要进行改性处理来提高其吸附能力【1】。例如，通过酸处理、热处理或表面修饰等方法，可以改善矿物类吸附材料的孔隙结构和表面性质，从而增强其对重金属离子的吸附效果。

二、吸附材料优化的关键技术与方法

（一）材料表面改性技术

采用硝酸氧化法对活性炭进行改性时，硝酸的强氧化性可在碳骨架表面引入羟基、羧基等含氧官能团，使材料表面极性增强，与重金属离子的配位作用显著提升。实验数据表明，经硝酸氧化后的活性炭对铜离子的吸附容量较未改性前提高 35% ，这归因于表面羧基数量增加 40%¹²¹ 。对于矿物类材料，如沸石，采用表面接枝聚丙烯酰胺的方法，可通过聚合物链的空间位阻效应和氨基的螯合作用，改善其对镉离子的吸附选择性，使吸附效率提升约 28‰ 。该技术通过精准调控表面活性位点，实现对特定重金属离子的高效去除，尤其适用于成分复杂的工业废水处理场景。

（二）复合改性技术

复合改性通过将不同材料的优势结合，形成具有协同效应的吸附体系。典型如活性炭与 Fe₃O₄ 的复合，活性炭的高比表面积（约 1000m²/g ）提供物理吸附位点，而 Fe₃O₄ 的磁性和金属离子螯合能力可增强化学吸附作用，使复合材料对汞离子的去除率较单一活性炭提升 45‰ 。另一种常见体系是碳纳米管与壳聚糖的复合，碳纳米管的一维管状结构能加速离子扩散，壳聚糖的氨基则通过螯合作用固定重金属离子，该复合材料对铅离子的吸附容量可达 55mg/g ，较单一壳聚糖提高 30‰ 。复合改性不仅能提升吸附容量，还能通过组分互补改善材料的稳定性和再生性能，例如磁性复合材料可通过外加磁场实现快速分离，使工业应用中的材料回收效率提升 50% 以上。

三、吸附材料优化的实验研究与效果验证

（一）实验材料与方法

本实验选取活性炭和沸石作为基础吸附材料，分别采用表面改性和复合改性的方法进行优化。对于活性炭，采用 6mol/L 硝酸在 80^∘C 条件下氧化

4 小时的方式进行表面改性，以引入含氧官能团；对于沸石，通过共沉淀法负载 15% 质量分数的铁氧化物，制备铁氧化物/沸石复合材料。实验所用工厂废水取自某电镀厂，水质中主要含有浓度为 50mg/L 的铜离子、 30mg/L 的锌离子和 20mg/L 的镉离子， pH 值为5.5。通过静态吸附实验考察材料性能，在 25^∘C 恒温条件下，将 10g/L 吸附材料加入废水中，以 150r/min 速率振荡 2 小时，测定吸附容量和吸附速率等参数。同时，利用 X 射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）及 BET 比表面积测试等手段，对材料结构和表面形貌进行表征，分析改性对材料性能的影响机制。

（二）实验结果与分析

实验结果显示，经硝酸氧化改性的活性炭表面羧基和羟基等官能团数量显著增加，比表面积从 850m²/g 提升至 1020m²/g ，对铜、锌、镉的吸附容量分别达到42、35、 45mg/g ，较未改性材料提升 35% 、 28% 和 42‰ 。铁氧化物负载的沸石复合材料因引入铁氧化物活性位点，对镉离子的吸附容量提升至 38mg/g ，增幅超 。吸附动力学分析表明，优化后材料的吸附过程符合准二级动力学模型（ R²>0.99 ），吸附热力学符合 Langmuir等温模型（ R²>0.98 ），表明吸附以化学吸附为主，且为单层吸附过程。热力学数据显示，吸附焓变 ΔH=+12.5kJ/mol ，证实该吸附为吸热的自发反应，温度升高至 35^∘C 时吸附容量可再提升 10‰

（三）实际应用效果探讨

将优化后的吸附材料应用于该电镀厂 50m³/d 的废水处理中进行中试实验，采用“ 改性活性炭-铁氧化物负载沸石” 两级吸附工艺。结果表明，铜、锌、镉的去除率分别达 98% 、 95% 、 99% 以上，出水浓度分别低于0.3、1.0、 0.01mg/L ，满足国家排放标准（GB21900-2008）。与传统未改性材料工艺相比，处理周期从 8 小时缩短至 4 小时，再生周期延长一倍。尽管改性材料制备成本增加 15 元/吨，但因吸附容量提升和再生频率降低，总体处理成本下降 20% ，从 12 元/吨降至 9.6 元/吨。此外，磁性沸石可通过磁分离器快速回收，再生效率提高 40% ，显著降低运行能耗，在工业应用中兼具技术可行性与经济合理性。

结语

综上所述，吸附法在工厂废水中重金属离子的去除方面具有重要的应用价值，而吸附材料的性能直接影响处理效果。通过对常见吸附材料的性能分析，明确了活性炭和矿物类材料的特点及不足。在此基础上，采用表面改性和复合改性等关键技术对吸附材料进行优化，显著提高了材料的吸附能力和选择性。实验研究表明，优化后的吸附材料在工厂废水处理中表现出优异的去除效果，具有良好的实际应用前景。未来，还需进一步深入研究吸附材料的改性机制，开发更多高效、经济、环保的新型吸附材料，为工厂废水中重金属离子的深度去除和水资源的循环利用提供更强有力的技术支持。

参考文献

[1] 李 永 义 . 精 细 化 工 厂 废 水 处 理 工 艺 技 术 [J/OL]. 清 洗 世界，1-6[2025-05-24].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.4834.TQ.20250513.1816.046.html.

[2]陈依婷.“ 废水中重金属离子去除” 跨学科项目式教学实践研究[D].牡丹江师范学院，2024.DOI：10.27757/d.cnki.gmdjs.2024.000281.

[3]张开兴，贾志文，秦永剑，等.水体重金属离子吸附材料的研究进展[J].化工新型材料，2024，52（07）：255-262.DOI：10.19817/j.cnki.issn1006-3536.2024.07.059.