改性沸石处理含铅废水的研究

南京工业大学本科生毕业设计（论文）第一章绪论水是人类非常宝贵的自然资源，是人类生存必不可少的物质之一。

随着人口的不断增加和工业的迅速发展，水资源短缺问题已成为重点问题。

我国是人口大国，淡水资源占有量仅为世界人均占有量的五分之一，所以我国水资源短缺问题严重，而目前我国又正处于工业蓬勃发展的时期，取得社会主义现代化建设的同时，严重的水污染问题也随之而来。

当前，我国工业排放的废水量大且超标，严重的水体污染不仅破坏生态环境，而且直接影响了居民日常生活，同时对企业自身的可持续发展产生了不利因素，含铅废水就是其中之一。

根据国家环保局发布的《2008年环境状况公报》[1]，2008年全国地表水污染严重。

长江、珠江、松花江、黄河、淮河、辽河和海河七大水质总体与上年持平，水质总体为中度污染。

这其中，工业废水中重金属离子如铅、汞、铬等对人体和环境的危害尤为严重。

像油漆、印刷、蓄电池等行业都在消耗铅，与此同时，铅又导致对土壤、大气以及水资源的污染。

铅和可溶性铅盐都是有毒的，含铅废水对人体健康和农作物生长的危害严重。

近几十年来，电镀、制革、采矿等许多工业排放的三废增加了环境中铅污染负荷，超出了环境的自净能力，导致土壤、湖泊甚至海洋都出现了不同程度的铅污染。

对含铅废水进行有效处理、对铅污染的水域、土壤进行修复成为环境治理中越来越突出的问题。

因此，我国的含铅废水处理压力大、任务重、需要高效、先进的水处理技术。

1.1含铅废水的危害铅是一种金属，在现代工农业生产中被使用广泛，同时又是一种分布广、有蓄积性的环境污染物，含铅废水的主要来源是电镀、冶炼、铸造、采矿、染料、电池、石油、机械、印刷等行业排放的工业废水。

其中，电池工业是含铅废水的最主要来源，据报道，每生产一个电池造成铅损失为4.54～6810mg，按照国家规定，含铅废水总铅含量在车间排放口必须达到第一类污染物最高允许浓度，排放标准，即1mg/L。

据国家环保部的每年统计结果表明[2]，我国七大水系、主要城市河流及湖泊水库中均在一定程度上存在铅和铬的污染现象，而在长江水系中，其近岸水域也早已受到严重的铅等重金属元素污染。

含铅废水的大量排放将直接造成土壤、大气及水体的污染。

经过人体的呼吸道和消化道被吸收，对中枢和周围神经系统、血液及造血系统和肾脏造成危害。

第一章绪论据统计[3]，人体平均每天铅的摄入量大约0.3mg，但如果每千克体重的铅摄入量为5mg时就可能引起急性铅中毒现象，且儿童发生铅中毒的机会要远远高于成年人。

举个列子[4]在甘肃，2006 年天水市因一个村庄中的两座铅锌矿厂排放的含铅废水造成该村50名孩子集体铅中毒现象，同时该污染还威胁到该市数十万的居民生活用水。

慢性铅中毒的人最初只感到疲倦、食欲不振、体重减轻等；当慢性中毒进一步发展时，就会出现耳鸣、视力障碍、头疼、贫血、精神错乱等。

而急性铅中毒会使消化系统和神经严重受损，短期内即可对身体造成巨大伤害。

徐立红等[5]研究认为，铅对人体的危害主要表现在四个方面：a.容易引起身体一些遗传物质的变异；b.造成青少年行为能力和认知能力的变化；c.对人体的某些器官具有严重的致癌和致突变性；d.能够促使身体某些细胞的死亡。

1.2 含铅废水的处理方法1.2.1化学吸附法化学沉淀法是将离子铅转化为不溶性铅盐与无机颗粒一起沉降，常用的吸附剂有沸石、粘土、粉煤灰、微生物等。

按工艺的不同吸附法又可以分为物理吸附、化学吸附以及生物吸附。

它的优点是处理后的水体可以达到国家规定的排放标准；但大量的铅盐污泥容易造成二次污染，并且化学沉淀法具有处理量小、占地面积大、选择性差等缺点。

刘延慧等[6]用活性炭吸附处理含铅废水，在pH=5.0~6.0,m(铅)：m(活性炭)=1：400，接触时间80min的条件下处理含铅质量浓度≤100mg/L的铅含量废水时，Pb2+的去除率为99%。

许兴有等[7]用粉煤灰沸石为吸附剂处理含铅废水，在铅与沸石用量之比为1：400，pH为7～10，接触时间为30min的条件下处理Pb2+进水浓度为50～125µg/mL的含铅废水，处理效果达到98%以上。

1.2.2 生物吸附法生物法主要是利用生物体本身的特性和化学结构来吸附废水中的重金属离子，然后通过将生物吸附剂与水溶液分离，从而达到处理废水的目的。

生物法吸附可分为死体吸附和活体吸附两种，对金属来说，死体吸附具有更强的结合性，且无需供应细胞生长的营养及不受环境的影响[8]。

因而死体吸附将具有更大的应用潜在价值。

该法以其原材料来源丰富、吸附速度快、成本低、选择性好、吸附量大、无毒、无害、无二次污染等特点正受到越来越多的重视。

南京工业大学本科生毕业设计（论文）1.2.3.电解法电解法是利用电解的基本原理，让废水中有毒的铅离子包括其它重金属离子在阴极表面进行还原反应，这些重金属离子变为金属沉积于电极表面，从而使浓度得到降低。

该方法的优点在于处理废水过程中无需加入化学药品，处理简单、污泥量小、占地面积小，很少或没有产生二次污染，这是一种很有潜力的处理方法，具有非常好的发展前景。

三维电解的提出是电解法的一个新突破，目前使用三维电极电解处理废水中的Cu2+已经取得了较好的效果[9]，并应用于试验中。

1.2.4.膜分离法膜分离法的原理是利用半透膜将溶液隔开，利用压力作为驱动力，当废水经过膜的表面时，污染物被截留，水分子却可以透过膜，废水得以净化。

利用膜分离法处理含铅废水的方法有乳化液膜、电渗析[10]、液膜[11-12]、反渗透[13]和超滤等方法。

此法具有能耗低、无二次污染、分离效果好、工艺简单的优点，适用于处理浓度较低的废水，处理后的废水可以回收。

当然，膜分离技术也存在一定的问题，如膜组件的造价成本高和使用过程中膜的污染和膜稳定性较差[14]。

徐惠敏等[15]利用3种单皮层醚酰亚胺中空纤维超滤膜，对水溶液中重金属离子镉和铅脱除进行了胶束强化超滤研究,结果显示镉和铅的截留率能达到99%以上。

1.2.5.离子交换法所谓的离子交换法就是通过离子交换剂分离含铅废水中有害元素，从而达到处理废水的效果，这就是离子交换法。

离子交换法常用的离子交换剂有沸石、离子交换纤维和离子交换树脂等。

由于交换机含有的离子本身的自由移动，在与含铅废水的溶液进行离子交换时，便能改变废水中的有害元素，而离子交换的推动力则来自于离子间的浓度差以及交换剂上的功能基对离子的亲和力。

离子交换法处理铅离子是较好的方法之一，相对于化学沉淀法，不但管理方便、占地面积小、铅离子脱除率高，而且处理得当可使再生液作为资源，回收其中的铅，不会对环境造成二次污染。

但该方法也有不足之处:投资费用较大，处理含铅废水的浓度不宜太高，离子交换剂吸附容量有限，再生问题有一定的困难。

李健生等[16]研究发现，采用大孔弱酸阳离子交换树脂对铅离子的吸附容量比较大，而且具有很好的再生性能，可用于处理含铅废水。

第一章绪论1.3 课题研究的目的意义铅是一种累积性毒物，主要经呼吸道和消化道被人体吸收，对中枢和周围神经系统、血液及造血系统和肾脏造成危害，并且随着铅在人体内的不断积累，其毒害性越来越大。

水体中的痕量铅，可以通过食物链在人体内逐渐累积，导致慢性中毒，其毒性具有长期的持续性。

一旦自然水体中的pb2+浓度达1．0～10．0mg/L，即可产生毒性反应，引起人体组织尤其是神经系统和造血系统中毒，严重时可致死亡。

因此，铅被我国列为优先控制的剧毒重金属元素之一。

目前我国国内处理含铅废水成本高、效率低，许多企业为了自身的利益，以牺牲环境为代价，造成了我国水资源污染问题更加严重。

寻找一种廉价的含铅废水处理材料，降低废水处理成本，提高净化效率，已经成为废水处理领域亟待解决的问题。

我国沸石矿产资源十分丰富，总储量约40亿吨[17]，居世界前列。

目前，我国沸石资源的开发仅限于初级产品，并且多数仅处于试验研究阶段，复合材料和深加工产品还属于起步阶段。

因此，我国应该加强有关于沸石在沸水处理中的应用研究，开发出价廉物美的产品，使其达到工业规模生产的水平，以适应社会发展的需要，发挥沸石在环保领域的作用。

用改性沸石作为含铅废水处理材料，具有以下诸多优点：（1）原料丰富，容易购得(2)制备方法简单（3）具有较高的化学和生物稳定性（4）可有效地去除水中铅离子（5）再生容易。

因此改性沸石是取代传统沸水处理材料的一个理想选择，将会得到更加广泛的应用。

选取沸石作为无机离子交换剂处理含铅废水，对重金属废水处理方法研究具有非常重要的意义。

南京工业大学本科生毕业设计（论文）第二章沸石沸石主要是由SiO2、Al2O3、H2O和碱或碱土金属离子组成。

SiO2和Al2O3两种成分约占沸石矿物总量的80%。

沸石在工业上得以广泛应用，是由于它结构特殊，由铝硅酸盐骨架，骨架中的孔穴、孔道和阳离子以及水分子构成。

从而具有独特的离子交换、筛分、吸附和催化性能。

沸石骨架中硅氧四面体内的Si4+常被Al3+置换，出现的过剩负电荷则由碱金属或者碱土金属补偿，这些补偿阳离子与晶格结合力很弱，具有很高的自由度，可以活跃在孔道内，使得沸石具有天然的离子交换性能。

除了这些，沸石还具有耐高温、耐辐射、耐酸等性能，这些特性也决定了沸石具有独特的环境属性，更奠定了其在环境治理方面的特殊地位。

2.1 沸石结构的一般特征沸石是架状构造硅酸盐中的一族矿物，结构相对比较复杂。

其特点如下：（1）硅氧四面体是沸石结构的基本单位。

硅氧四面体由一个硅离子和四个氧离子按四面体的形状排列而成，硅离子处在四面体的中心，四个氧离子占据四面体的四个角顶。

（2）硅氧四面体通过四个角顶（不能通过四面体的棱和面）彼此连接，构成硅氧四面体群。

沸石中铝置换硅的数量是变化的，因此不同种类的沸石，其硅铝比不同，金属阳离子的含量也不同。

置换不同的阳离子，对沸石的结构影响很小，但对它的离子交换、催化活性和吸附等性能的影响却很大。

硅氧四面体和铝氧四面体最终通过其角顶互相连接，构成各种形状的硅（铝）氧格架，即沸石结构。

（3）由于硅氧四面体连接方式不同，在沸石结构中便形成很多空穴和孔道。

通常它们都被水填充，加热即可将水去除，但不会破坏它们结构，这时直径比孔道小的分子便能进入空穴中，即被沸石吸附；而直径比孔道大的分子则不能进入空穴，不被吸附，因此沸石有分子筛的作用。

2.1.1 沸石的离子交换性能沸石一个特性是可以进行可逆的阳离子交换，通过这种交换，又改进了沸石的催化和吸附性能，使沸石获得更为广泛的应用。

沸石的离子交换性能，与沸石结构中的硅铝比的高低、沸石空穴的大小以及阳离子的位置等有关。

沸石中的阳第二章沸石离子完全是由于沸石中部分硅被铝置换后，产生的不平衡电荷吸附而进入其中的。

沸石的离子交换作用与阳离子的性质有关，不同的阳离子，其交换的顺序和难易程度不同。