降低水中重金属含量的方法

王 松，王菁华，刘 威，孙益敏

(黑龙江省科学院自然与生态研究所，哈尔滨 150040)

矿泉水因天然无添加深受人们喜爱。我国天然矿泉水执行国家强制标准《饮用天然矿泉水》(GB8537-2018)，其对天然矿泉水在感官、理化、标志等方面作了相应规定。五大连池重碳酸型矿泉水中锶、偏硅酸、游离二氧化碳和溶解性总固体共4项指标均达到国家标准GB8537中界限指标要求(界限指标只要有一项符合即可)，在我国众多矿泉水中极具特色。前期工作发现，五大连池重碳酸矿泉水原水中镍含量较高，镍对细胞膜构造、红细胞再生等都有助益，但摄入量过高会在人体内聚积，造成急慢性中毒，甚至有潜在的致癌风险。降低矿泉水中镍含量需遵从GB8537中的相关规定，结合企业生产实际。本研究介绍了几种降低水中重金属含量的方法。

1 吸附法

1.1 活性炭吸附

活性炭内部孔隙发达，价格低廉，性质稳定[1]，吸附有机物效果好，常应用于水处理中，可以通过修饰改性提高活性炭吸附重金属能力。常见改性方法主要有金属负载改性、等离子体改性、酸碱改性、还原改性、氧化改性、高温热处理改性、微波改性等[2]。赖双苑研究表明，HNO3-NaOH改性后的活性炭，温度30℃，改性活性炭按5.0 g/L投入0.4 mg/L Ni2+溶液，吸附1 h，Ni2+的去除率达 98.88 %[3]。施宇震等研究表明，活性炭经0.1 mol/L的高锰酸钾溶液改性，可使锑浓度从100 μg/L降至4.23 μg/L[4]。谢婉婷等研究证实，经二氧化钛溶胶负载的粉末活性炭，在高流速条件下可将废水中Cr(Ⅵ)含量降至低于0.05 mg /L[5]。

表1 不同改性活性炭方法特点Tab.1 Characteristics of different modified activated carbon methods

1.2 沸石吸附

天然沸石属硅铝酸盐矿物类[6]，其吸附能力取决于吸附物质的分子大小和沸石孔径。一般情况下，天然沸石会优先选择性吸附某些特定分子，对有机物吸附效果极差，对重金属离子吸附效果也不好，实际应用中常常会根据不同需求，选择恰当的改性方法提高吸附能力。常见的改性方法有盐改性、酸碱改性、焙烧热改性、有机物及稀土改性等[7]。

余手宽等人研究二氧化锰改性沸石对废水中Pb2+吸附性能的影响因素，结果表明，二氧化锰改性沸石对废水中Pb2+的吸附效果随着沸石与二氧化锰投料比的增加而提高，反应溶液最佳pH值为5～6[8]。薛美香等在微波辅助下，用氯化钠改性沸石研究不同条件对水中铜离子含量的影响，结果表明，温度30℃时，0.3 g改性沸石投加到10 mg/L的Cu2+溶液中吸附80 min，Cu2+去除率达93.3%[9]。张超等以NaOH改性天然沸石，研究其对水中锰含量的影响，结果表明，温度25℃时，将1.0 g改性天然沸石投入初始浓度为1.0 mg/L的溶液中，2 h后锰去除率可达99.3%[10]。程明用溴代十六烷基吡啶(CPB)做改性剂，研究改性沸石对废水中的铬吸附影响，结果表明，25℃时，将2 g改性沸石头投入25 mL 50mg/L含铬废水中吸附30 min，去除率可达90%以上[11]。

2 膜过滤

膜过滤技术是利用混合物中各物质分子大小差异达到选择性分离目的一种新型技术，具有能耗低、操作简单、不发生相变等特点。膜分离方法主要有反渗透(RO)、超滤(UF)、纳滤(NF)、微滤(MF)和电渗析等[12]。

Moideen 等研究证明，混合磺化聚苯砜与聚砜制作的超滤膜对Cd2+的消除率约为75%，对Pb2+的消除率约为 87%[13]。宋卫锋等研究采用纳滤膜法过滤电镀镍漂洗废水，结果表明，稳定运行40 h后截留率可达75%左右[14]。李萌等研究发现，在一定条件下，含锰废水通过纳滤膜时，89.72%的Mn2+、90.69%的Mg2+和全部Ca2+都可被纳滤膜截留[15]。

3 结语

活性炭来源广泛，种类繁多，选取活性炭种类时应有所侧重。活性炭本身是否含有镍，改性过程中是否会将活性炭本身含有的镍释放出来，诸多细节都需严格把控。天然沸石在吸附时会发生阳离子交换现象，因此吸附过程中是否会引进其他离子、导致个别离子含量升高有待考量。膜分离技术虽优点众多，但分离过程中膜材料本身的渗透性会随着时间的延长而下降，应用时需要考虑这些问题。

国内关于降低重金属含量的研究很多，但实验对象大多为单一金属标准溶液或工业废水，对降低矿泉水中重金属含量的研究较少，尤其是多种金属离子存在下的竞争吸附及其机理的相关研究较少。五大连池重碳酸型矿泉水中含有多种金属元素，存在各种金属离子竞争性吸附的可能，若想将其完全应用于企业生产仍需进一步研究。