金属基吸附剂除硝酸盐氮研究进展

李懋锋

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳110168)

为我国70 %人口，农村地区95%人口提供饮用水源的地下水，其水质安全与地表水相比通常被忽视[1]。农田化肥的使用以及垃圾填埋的后续恶劣影响，成为我国地下水活性氮泄露的两大主要原因，对我国农村用户和城市用户造成了不同程度的用水隐患[2]。尤其是对于常年使用井水的农村用户，用水通常未经处理，其潜在危害不可估量。Zhai等[3]基于中国现有的地下水硝酸盐数据集(2000—2015年)，对除澳门以外的33个省(单位)的省级地下水污染水平进行了评价，结果表明硝酸盐浓度超过《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)要求(10 mg/L)的有7个省份，低于标准的有26个省份，但其中50%的省份地下水硝酸盐浓度逼近标准。硝酸盐超标不但会导致水体富营养化，还会影响饮用水供水安全。长期饮用含高浓度硝酸盐的水会引发蓝婴症(婴儿易感)和高血红蛋白症，同时硝酸盐也是某些癌症的诱发因素[3]。因此，地下水硝酸盐污染是需要广泛重视和亟需解决的问题。

伴随着饮用水硝酸盐去除技术的发展，吸附法因其操作简便、投加方便和效率高等优点被认可。有研究表明，在吸附剂表面浸渍金属或金属氧化物可以增大吸附剂的比表面积和孔体积，从而提高吸附剂的吸附能力[4]。通过该方法负载一些多价金属离子，可以通过其所带的正电荷吸引和吸附硝酸盐等阴离子，或通过金属氧化物表面水合时与表层金属离子配位形成表面羟基，进而利用羟基质子化的性质吸引硝酸盐离子。基于以上特性，金属基吸附剂在去除硝酸盐的研究中取得了不少突破。

1 单金属吸附剂去除硝酸盐氮中的研究

1.1 锆基吸附剂

1.2 铁基吸附剂

1.3 镁基吸附剂

2 双金属吸附剂去除硝酸盐氮中的研究

某些情况下，单一金属对吸附剂进行改性并不能稳定高效地发挥出基体材料的全部吸附性能，因此通常会引入另一金属材料进行联用。

2.1 铁基双金属吸附剂

通过引入辅助金属防止零价铁失活，从而提高零价铁还原硝酸盐氮的效率是一种可靠的方法。以此为基础所制备的铁基双金属材料较为常见。Cheng等[16]选择了高安全性的金属铝作为辅助金属，并以壳聚糖为交联剂制备了铁铝双金属/壳聚糖/膨润土复合物，在保证零价铁活性的情况下，可在低温条件下有效去除水体中的硝酸盐，60 min内对浓度为50 mg/L的硝酸盐废水的去除率约为90%。Shubair等[17]研究了多层系统中使用纳米零价铁(nZVI)和铜改性后的零价铁(nano-Fe/Cu)对硝酸盐氮的去除效果，结果表明在原水硝酸盐浓度为45 mg/L的情况下，采用10 cm高的单层nZVI/砂柱可去除97%以上的硝酸盐。而使用双5 cm高nano-Fe/Cu /砂柱时，去除率可达100%。此外，纳米Fe/Cu颗粒对模拟地下水硝酸盐的去除效果优于单独使用nZVI粒子。

2.2 层状双金属氢氧化物吸附剂

层状双金属氢氧化物(简称LDHs)是由2种或2种以上的金属阳离子组成的具有类水镁石层状晶体结构的氢氧化物，是一种无机阴离子交换材料，能与水中的阴离子产生交换作用[18]。其中改变LDH的金属成分可以改变其对水体中阴离子的选择性。Xue等[19]采用液相沉积法制备了镁铁层状双氢氧化物(Mg/Fe-LDH)颗粒，后续制备了生物炭-Mg/Fe-LDH复合材料用于水溶液中硝酸盐的去除，对硝酸盐有较强的吸附能力，Langmuir最大吸附量为24.8 mg/g。Ivánová等[20]在低过饱和与高过饱和条件下，使用共沉淀法合成了2种Mg/Al-碳酸盐层状双氢氧化物, 在硝酸盐含量为100 mg/L的模型溶液中，使用高过饱和制备的CLDH1吸附剂可获得74%的最去除率，当浓度为150 mg/L时，低过饱和制备的CLDH2对硝酸盐的去除率最高可达86%。

2.3 其他双金属氧化物吸附剂

3 结语与展望

金属的多样性和独特的化学性质，使其在吸附剂的研发中被广泛用作改性材料，但依然存在以下两个问题：一方面出于适用性的考虑，部分金属基吸附剂只有在硝酸盐离子浓度高且其余阴离子均处于低浓度水平的情况下，才能体现出对硝酸盐氮的去除效果，削弱了吸附剂的现实意义，这是需要克服的难题。另一方面，在吸附效率的提高上，纳米金属的引入是一种有效解决方法，但需要注意纳米金属粒子的毒性，防止其在吸附过程中分散于水体中，造成污染。