农业废弃物吸附水中重金属离子研究进展

Research Progress on Adsorption of Heavy Metal Ions in Water by Agricultural Wastes

摘要: 重金属在环境中难以降解性，因此水体中重金属的修复具有重要意义，传统的水处理技术较为昂贵，并且产生了大量的重金属有毒化学污泥。生物吸附是一种潜在的替代现有的传统技术，与传统处理方法相比，生物吸附的主要优点是低成本、高效率、化学或生物污泥少、生物吸附剂再生和金属回收等优点。纤维素农业废弃物是重要的金属生物吸附剂来源，生物吸附过程包括化学吸附、络合作用、物理吸附。本文综述目前农业废弃物吸附重金属的机理与研究进展，农业废弃物高效、低成本、可再生的生物质资源可用于重金属污染修复。

Abstract: Heavy metals are difficult to degrade in the environment, so the remediation of heavy metals in water is of great significance. The traditional water treatment technology is more expensive, and a large number of heavy metal toxic chemical sludge are produced. Biosorption is a potential alter-native to the existing traditional technology. Compared with the traditional treatment methods, the main advantages of biosorption are low cost, high efficiency, less chemical or biological sludge, biosorbent regeneration and metal recovery. Cellulose agricultural waste is an important source of metal biosorbents. The biosorption process includes chemical adsorption, complexation and physical adsorption. In this paper, the mechanism and research progress of heavy metal adsorption by agricultural waste are reviewed. The biomass resources with high efficiency, low cost and renewable can be used for heavy metal pollution remediation.

1. 引言

重金属离子通过各种工业活动被引入水中，目前采矿、化肥、制革、电池、造纸、农药等活动均对环境造成严重威胁 [1] [2] [3] [4]。目前对人类和其他动植物有害的有毒金属离子主要有Cr、Fe、Se、V、Cu、Co、Ni、Cd、Hg、As、Pb、Zn等，这些重金属因其毒性、生物累积趋势和在自然界中的持久性而受到特别关注 [5] [6] [7]。

从水溶液中去除金属离子的传统方法包括化学沉淀、离子交换器、化学氧化/还原、反渗透、电渗析、超滤等 [8] [9]。然而，这些传统技术有其固有的局限性，如效率低、操作条件敏感、产生二次污泥，而且处置费用高昂。基于此，吸附可作为处理重金属污染的有效手段，然而活性炭的高成本限制了吸附应用。近年来，生物材料作为工业副产品及农业废料备受关注，与传统的处理方法及吸附材料相比，生物材料吸附法的主要优点包括：成本低、效率高、化学或生物污泥最少、生物吸附剂可再生和金属可回收。

含有纤维素的农业废弃物材料在金属生物吸附领域展现出巨大的潜力。农业废弃物的基本成分包括半纤维素、木质素、脂类，蛋白质、单糖、水烃、淀粉等 [10]，由于其独特的化学成分、丰富的可利用性、可再生性、低成本等特点，利用各种农业废弃物如米糠、稻壳、麦麸、小麦等原料可被用来处理水中金属污染。这些农业废弃物通过自然吸附或改性后吸附等被实际应用，本综述介绍了利用农业废弃物作为生物吸附剂去除有毒重金属离子的研究进展。

2. 吸附机制

使用农业材料从水中去除金属离子是基于对金属的生物吸附，生物吸附过程包括固相(吸附剂)和液相(溶剂)，由于吸附剂对金属离子具有很高的亲和力，因此金属离子吸附涉及化学吸附、复合作用、表面和孔隙吸附、离子交换、螯合作用、物理力吸附等 [11]。

农业废弃物主要成分为木质素和纤维素，其他成分包括半纤维素、提取物、脂类、蛋白质等糖、淀粉、水、碳氢化合物、灰烬等等含有多种官能团的化合物。纤维素大分子的基环是D-葡萄糖以β-1，4糖苷键组成的大分子多糖，半纤维素是以D-木糖基、D-甘露糖基等构成的，木质素是由三种醇单体(对香豆醇、松柏醇、芥子醇)形成的一种复杂酚类聚合物，这些官能团有对金属具有络合力 [12]。

3. 吸附铬

铬是一种有毒的重金属，多应用于鞣制、木材防腐和颜料、塑料染料、涂料和纺织品等。铬有多种氧化状态，其中铬(VI)和铬(III)是引起环境污染的主要价态 [13]。目前，许多研究报告了用农业废弃废物去除铬，如榛子壳、橘子皮、玉米芯、花生壳、大豆壳等，结果表明此类农业废弃物具有显著的去除效率 [14]。不同的植物部分，如椰子纤维、椰壳纤维、树皮、松针、仙人掌叶、印楝叶粉也被用于除铬，其去除效率在90%~100% [15]。

4. 吸附铅

环境中铅的主要来源于塑料、精加工工具、阴极射线管、陶瓷、焊料、铅闪光片和钢以及电缆回收。由于铅是蓄积性中毒，只有当人体中铅含量达到一定程度时，才会引发身体的不适，在长期摄入铅后，会对机体的血液系统、神经系统产生严重的损害，尤其对儿童健康和智能的危害产生难以逆转的影响 [16]。不同的农业废弃物如稻草、大豆果皮、甘蔗渣、花生壳、核桃壳等自然形态被用来去除铅，其去除效率为98% [17]。用氢氧化钠处理马尾藻和改性甘蔗的玫瑰花瓣琥珀酸酐也被用于移除铅 [18]。此外利用农用活性炭也研究了其吸附能力，甘蔗渣、粉煤灰铅的去除率为65%。锯屑树、樟子松和橡胶木锯末有显示85%~90%的去除效率，此外文献研究表明，生物吸附铅的最佳值在pH 5~6左右。

5. 吸附镉

镉及其化合物相比于其他重金属，其水溶液易在土壤中流动，同时易于生物累积。聚氯乙烯材料、塑料和钢电镀等都是环境中镉的基本来源，镉会对呼吸道产生刺激，长期暴露会造成嗅觉丧失症、牙龈黄斑或渐成黄圈，镉化合物不易被肠道吸收，但可经呼吸被体内吸收，积存于肝或肾脏造成危害，尤以对肾脏损害最为明显。还可导致骨质疏松和软化 [19] [20]。Montanher等人探讨了米糠和麦麸通过螯合镉，从而达到显著的去除效率 [21]。Iqbal等人利用棕榈叶柄毡鞘(PFP)进行了研究，吸收速度快，15分钟内完成70%以上。结合金属离子被成功解吸，PFP纤维生物量在几个吸附–解吸循环后仍然有效 [22]。

6. 展望

生物吸附对去除废水中污染物具有重要作用，在农业废弃物中廉价有效的生物吸附剂可用作吸附水中重金属。这是由于价格低廉、易于获得、对重金属显示出高度亲和力。然而实际应用中，利用农业废弃物吸附重金属仍然有局限性，例如，吸附效率差、材料不易回收等特点，因此为了使农业废弃物在工业规模上经济可行，未来要解决金属回收和农业废料的再生等问题。

7. 结论

生物吸附是一个较为简便的去除水中重金属过程。本文综述了利用农业有机废弃物吸附水中金属离子的机理及其效率，通过使用低成本的生物吸附剂可以规模化处理水中重金属污染问题，此外，使用农业废弃物吸附水中重金属可回收重金属，同时农业废弃物可重复利用。然而利用农业废弃物吸附水中重金属机理尚不明确，需进一步模拟生物吸附的再生和回收等方面，同时研究金属离子和废物的固定化高效率和回收率。还需要进行进一步的研究，以使该工艺在工业规模上经济可行，同时使金属农业废弃物回收与再生。