改性秸秆吸附重金属离子研究进展

摘 要：重金属污染对生态环境有严重的危害，秸秆作为一种新型的吸附剂因成本低、产量大、可再生、吸附效率好等特点具有广阔的应用前景。本文重点描述改性秸秆在重金属吸附领域的应用以及检测分析方法，为以废治废，节约能源打开了新思路。

关键词：秸秆 重金属 离子交换

1、引言

秸秆是指农业生产和加工过程中的产生的剩余物，也是一种可再生资源。我国是一个农业大国，据统计全国每年大约生产农作物秸秆8亿吨，部分秸秆用于还田、制成饲料、制成燃料、发电等，但大部分的秸秆利用率低。以前的秸秆主要通过焚烧处理，近年来，雾霾现象严重危害着人们的身体健康，秸秆的焚烧不仅会加剧雾霾现象，还会释放大量的有毒有害物质，影响交通，因此，国家禁止焚烧秸秆，每逢农作物收获季节，秸秆的处理就成了农民及社会的头疼问题。

重金属污染指的是由重金属及其化合物引起的环境污染。主要来源于工业废水、电镀、冶炼、油漆、颜料以及电池等行业，以其持久性强，难降解，易通过食物链进行富集，毒性大，微量即可危及生命等特点成为了热点问题。目前传统的重金属污染的处理方法包括化学沉淀、离子交换、膜分离、活性炭吸附等。这些处理方法往往成本高，易造成二次污染，且对于浓度低于100mg/l的重金属离子而言，效果不理想。基于此，将秸秆作为重金属废水的吸附剂不仅为重金属废水的处理开辟了新的道路，同时也能解决秸秆的处理问题，变废为宝，以废治废，节约能源保护环境。

2、重金属危害及污染特点

2.1 重金属的危害

重金属离子及其化合物对生物体的毒性作用取决于其与生命有机体的结合作用，这种结合作用越强，产生的毒性作用就越大。汞、镉和铅是对人体健康和环境危害最大的三重金属。历史上发生的许多重金属污染的重大环境公害问题主要是这三种重金属引起的，如汞污染引起的日本的水俣病，镉污染引起的骨痛病以及我国的儿童血铅事件等。重金属污染属于慢性积累性的污染，它可以通过呼吸道、皮肤、消化道以及食物链等进入人体，在人体内富集到一定的浓度，会对人体的肾脏系统、泌尿系统、神经系统、造血系统以及心脑血管等方面产生致命的影响，危害着人们的生产生活。

2.2 重金属污染特点

（1）污染范围广。在全国范围内，诸多水系均受到不同程度的重金属污染，总体污染率已达到75%，如贵阳市的红枫湖、海南三亚湾、连云港市的排淡河等，均具有十分明显的重金属污染特性。

（2）复合污染严重。在一个水系中，往往是多种重金属共存，加剧了污染，如山东省的大沂河在铅及镉等含量方面，已经超过国家所规定的Ⅴ类水质标准，而锌及铜含量也超过Ⅰ类标准[1]。

（3）沉积物中的含量高于水相。水环境中的重金属含量与水体的pH值相关，碱性条件下易沉淀于底泥，酸性条件下易释放进入水体。而进入水体重金属大部分会依存在底泥沉积物中，使得水体溶解的重金属含量低于底质。

3、改性秸秆在重金属吸附领域的应用

3.1 秸秆的特性

秸秆类吸附剂的主要元素组成为C、N、O，如小麦秸秆中，挥发分约占69%，固定碳约占23%，灰分约占8%，其本身的重金属含量很低[2]。秸秆的主要成分是纤维素、半纤维素以及木质素等粗纤维，富含羰基、羟基、羧基等具有络合能力、离子交换能力的活性官能团，同时秸秆具有较大的比表面积，属于多孔性物质，对重金属阳离子有较为理想的吸附作用。秸秆对于重金属的吸附是基于物理吸附和化学吸附，其中化学吸附效率较高，属于主要吸附力。化学吸附指的是离子交换，重金属阳离子与秸秆中的H离子发生交换，从而将重金属阳离子吸附在秸秆上。但是，自然状态下的秸秆中，可进行离子交换的羧基较少，科学研究者利用很多化学物质对秸秆进行改性，破坏晶体结构，打破氢键，增大比表面积，增大孔隙，从而改善吸附能力。

3.2 检测方法

秸秆吸附重金属离子研究中常用到的检测分析仪器有电感耦合等离子发射光谱仪、傅里叶红外光谱分析仪、扫描电镜、比表面积测定仪等。

（1）电感耦合等离子体发射光谱分析 （ICP-AES）

ICP-AES主要用于微量元素的定性定量分析，测定范围广，灵敏度高，可以用于检测重金属的浓度。

（2） 傅里叶红外光谱分析（FTIR）

FTIR的原理是将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，利用某些特定波长红外射線的能量被吸收，从而形成这种物质的红外吸收光谱[4]。可以给出许多未知化合物可能存在某些功能集团的结构信息，可以用于研究纤维素大分子结构中所含有的官能团。

（3）扫描电镜分析（SEM）

SEM通过极细电子束在对物质表面扫面时会形成电信号，再通过荧光屏显示出物质的表面图像，而且通过能谱还能对物质不同层次断面的化学元素组成给出定性与定量的结果[3]。

吸附前秸秆呈现比较规则的条状排列且具有明显空隙；吸附后麦秆表面变得粗糙，微孔棱边界变得较为模糊，多孔性不如吸附前，说明微孔结构在吸附过程中起关键作用。

（4）比表面积分析（BET）

改性之后，秸秆的比表面积、孔容以及孔径会发生相应的变化。改性之后，比表面积会变小，这是因为改性过程中参加反应的改性试剂与秸秆表面的官能团发生化学反应，进入空隙结构占据了部分表面积[4]。

4、结论

在一个崇尚环保、绿色的社会中，变废为宝以废治废已经成为不可阻挡的国际趋势。已有大量的学者在这条道路上为我们披荆斩棘，给予我们新思路新方法。我国是一个农业大国，每年有大量的秸秆产生。目前国内大部分地区对于秸秆的利用还仅局限于堆肥还田、用作饲料等方面，利用率低下，还有相当一部分的秸秆直接燃烧，不仅浪费资源，破坏生态平衡，还可能造成更严重的环境问题。如若将秸秆转化为资源加以利用，比如制成重金属离子吸附剂，不仅节约资源保护环境，还可以去除废水中的重金属离子，增加其利用附加值。利用改性秸秆吸附废水中的重金属，可以提高秸秆的吸附性能，提高利用效率。我们还需致力于秸秆类物质的改性研究，能将其从实验室延伸到工业废水处理的实践中，为重金属离子的去除开创新的研究技术方法。

5、展望

山东是一个农业大省，是我国重要的粮食作物生产区，也是秸秆产量丰富的省份之一。粮食作物主要以小麦、玉米为主。经济作物主要以棉花、花生和瓜菜为主。各种农作物秸秆产量已达7069.5万吨。除去部分不可用秸秆，全省可用秸秆达到6500万吨，秸秆资源丰富。在众多的秸秆利用方式中，制成重金属吸附剂无疑是简单又环保的，对整个生态环境贡献巨大。希望研究者能在原始秸秆的基础上，研发出更有效、无毒、简单的重金属吸附剂。

参考文献：

[ ]杨莹.我国水环境重金属污染现状及检测技术[J].地球，2016，11，369.

[2]于芳，宋进喜.小麦秸秆对溶液中铅、镉离子吸附性能的研究[D].西安：西北大学. 2013.

[3]曾汉民.功能纤维[M].北京：化學工业出版社，2005.

[4]陈素红，岳钦艳.玉米秸秆的改性及其对六价铬离子吸附性能的研究[D].山东济南：山东大学.2012.

作者简介：

尹卓坤（2000.12-），男，汉族，山东潍坊人。

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