改性稻壳对不同重金属的吸附机理研究

论文总字数：20612字

目 录

摘要 4

1 研究背景 6

1.1 污染水体中重金属的来源 6

1.2 水体中重金属污染的危害 6

1.3 污水中重金属离子的治理技术 7

1.3.1 生物法 7

1.3.2 化学法 7

1.3.3 物理化学法 8

1.4 农林废弃物吸附去除污水中重金属 8

2 材料与方法 10

2.1 试剂制备 10

2.1.1 金属离子试剂制备 10

2.1.2 改性稻壳制备 10

2.2 实验方法 10

2.2.1稻壳生物质表征 10

2.2.2吸附实验 10

2.3 吸附等温线模型 11

2.3.1 Langmuir 等温线模型 11

2.3.2 Freundlich 等温线模型 12

3 结果与讨论 12

3.1 稻壳生物质的扫描电镜分析 12

3.2 稻壳生物质吸附重金属的机理 12

3.3 pH对稻壳生物质吸附重金属的影响 14

3.4 Langmuir 和Freundlich 等温线模型 15

3.5 稻壳生物质表面结合位点异质性解释 18

3.6 稻壳生物质吸附Cr(VI) 19

3.7 X射线光电子能谱 19

3.8 傅立叶变换红外光谱 20

4 结论 20

参考文献 21

致谢 23

改性稻壳对不同重金属的吸附机理研究 

郁佳程

, China

Abstract

With the rapid development of the economy, heavy metal pollution in water has become increasingly serious. In view of the heavy metal ions in the sewage, this study modified the agricultural and forestry waste-rice hull to remove the heavy metal ions in the sewage under different conditions. The surface morphology of rice hulls before and after modification was studied by scanning electron microscopy. The morphology of the chromium contained on the biomass was determined by X-ray photoelectron spectroscopy. Fourier transform infrared spectroscopy was used to characterize the biomass, and the functional groups of the biomass combined with heavy metal ions were analyzed. Change the initial heavy metal ion concentration of the experiment and explore its adsorption mechanism: First, ion exchange between Ca² in the biomass and heavy metal ions in the solution, and second, the complex reaction of functional groups such as alcohols, ketones, and carboxyl groups of biomass with heavy metal ions. Studies have shown that pH has an effect on the adsorption of heavy metal ions, and the maximum adsorption value occurs between pH 5.7-6.2. The adsorption capacity of biomass is comparable to or greater than that of other reported adsorbents. The use of modified rice husk as an adsorbent material to reduce the heavy metal ions in the polluted water body can reduce the cost of sewage treatment and change waste into treasure, which has important practical significance.

Key words：Biomatrix; Heavy metals; Removal mechanism 1 研究背景

 1.1 污染水体中重金属的来源

污染水体中的重金属离子主要来自采矿和冶金等工业流程。如开采钢铁和和冶炼有色金属需要大量的水，经过一些流程后，大量的金属离子进入开采和冶炼废水中；加工行业需要使用大量的酸来处理金属部件。除此以外，公路上汽车排放出的尾气、生活中随意弃置的家庭垃圾，如随手丢弃的废旧电池等物品，这些都能引起水体重金属污染。

采矿和冶炼带来的重金属污染。矿山（特别是金属矿）在开采过程、冶炼过程都会带来严重的重金属污染，此外，金属矿山的尾矿以及矿渣都是潜在的污染源，当它们遇到酸雨或者被水和空气氧化后，则会以离子的形式进入水源和土地中，对环境造成极其恶劣的影响，且这种影响持续时间长、不易消除。若遇降雨，这种污染会更加严重，不仅污染水，还会污染土壤。因为在中国南部存在有大型金属矿山，所以水体重金属污染在我国南部分布较广，而且这种污染有以矿山为中心，向周围蔓延的趋势。

城市污水带来的重金属污染。未经处理的城市污水不仅会污染流过的土地，还会污染城市内的树林以及草地，接着这些污水流入到河流湖泊以及其他饮用水源中，造成非常严重的后果。毫无疑问，在污水排放口附近的地区，遭受到的污染更为严重。从污染的严重程度来看，北方地区污染最严重，其次是西北地区。

肥料和农药带来的重金属污染。镉，砷，汞等重金属离子在化肥中的含量较高，经过施肥的农田中会有很多残留的重金属离子。因此，化肥的不合理使用会导致更严重的水质金属污染，对水生生态造成破坏难以修复。同样，农药的不合理使用会释放出农田中残留的重金属离子，这些重金属离子进入水体，从而使得水中重金属污染的情况愈加严重[2]。

1.2 水体中重金属污染的危害

重金属如镉、铬、汞、锰、铅、钴、镍和锌都会污染水体，并对水环境中的生物有一定程度的毒害作用。通常情况下，微量的重金属离子不会对水生生物的生长产生恶劣的影响，对水体的毒害作用较小，基本可忽略不计。然而随着人们向水中排放的重金属量增加，水中重金属浓度远远大于安全的浓度指标，则水环境必然将受到重创[4]。

污水中重金属离子的化学价态非常多变。鉴于大部分重金属都是过渡元素，而过渡元素的化学价态很多，所以，配位体状态会随着水中pH值的变化而变化。因此，一旦重金属离子进入水体，水体很难通过自净作用消除其对环境的影响，重金属离子在水环境中存在的时间越长，其对水环境造成的危害越大。重金属污染水体后，会对水生生态系统造成难以弥补的伤害，如通过抑制酶的活性，改变水生植物的核酸组成，进而抑制水生植物的光合作用、呼吸作用，威胁水生植物的生长[3]。而且，这种影响会通过食物链传递给大自然生态系统的各个生物体。此外，严重的重金属污染会造成水生植物的生态系统发生紊乱，植物的营养供给失调，并且可能引起植物的病变，破坏植物的各种功能。

随着经济发展和工业化大潮的兴起，废水中的重金属含量不断增加，水环境中的重金属污染形势也是相当严峻。近年来，黑龙江省水质调查结果表明，重金属镉和汞污染最为严重。据有关部门调查，中国河流重金属污染程度非常之深，有超过80%的河流和湖泊都面临着重金属污染。此外，扬子江的水质是中国七大水系中最好的，然而，目前扬子江大部分沿海水域都受到不同程度的污染。据统计，根据中国水质污染的标准，在我国有超过32.31%的河流的重金属总汞含量远远超过地表水III类标准，18.55%的河流中总镉含量超过III级水质标准，27%的河流总铅含量明显高于标准水体。将采集到的样品进行测试，我国一半以上的河流和海洋中的铅超标率高达63%。

然而，国外也存在类似的水体重金属污染案例，其严重程度与国内相比也是有过之而无不及。由此可知，水体中重金属污染的形势已经相当严峻，需要全世界一起齐心协力，共同应对[5]。

1.3 污水中重金属离子的治理技术

目前，水体中重金属离子的去除方法主要有生物法、化学法和物理化学法。

1.3.1 生物法

生物法包括生物吸附、生物絮凝、植物修复等方法。

生物吸附法的原理——利用生物体的组成和结构来吸附污水中的重金属离子，再对其进行物理分离[6]。钟璐等[7]利用核桃壳吸附废水中Cr(VI)，实验结果表明Cr(VI)的去除率可达99.3%。壳聚糖对Hg² 、Cu² 、Ni² 、Zn² 的最大吸附容量分别为815 mg/g、222 mg/g、164 mg/g和75 mg/g，吸附效果较好。

生物絮凝法的原理——利用微生物或微生物的代谢产物，结合水中重金属离子，产生絮凝体，絮凝体沉淀后再进行相关处理，从而去除水种重金属离子的一种方法。生物絮凝法的对重金属离子的去除效果仅次于化学絮凝法[8]。

此外，植物修复法利用绿色植物降解水环境中重金属离子，是一项很有发展前景的绿色生物技术[9]。利用植物修复技术，可改善当地的生态环境，保护生态平衡。

1.3.2 化学法

化学沉淀法的原理——利用化学药剂与重金属离子发生反应，生成沉淀以去除污染物。化学沉淀法的设备简单，操作方便，它的处理容量也很大，但该法占地面积大、耗能高、会产生大量不易处理的剩余污泥，容易造成二次污染[11]。

化学絮凝法的原理——向废水中加入化学絮凝剂，水中重金属离子与化学絮凝剂发生化学反应，生成絮凝体而将重金属除去。常用的絮凝剂是通过将重金属配体引入合成前体制备的[12]。但是，高分子絮凝剂的水解产物有毒，在低浓度重金属溶液中，高分子絮凝剂不能够很好地发挥作用。

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