[发明专利]基于纳米孔装置的水体重金属离子逐步分离法

说明书

本发明公开了一种基于纳米孔装置的水体重金属离子逐步分离法，基于纳米孔的分离策略和相关隔离装置的建立将水体中多种重金属离子进行分离，实验设备包括络合剂制备设备和分离设备，通过恒温磁力搅拌器来制备TCAS，通过U型槽和电场的作用进行分离，通过络合剂的选择性络合，最终实验多种重金属离子的分离。络合剂TCAS对重金属离子的选择性络合顺序分别为镉、铜、铅、钡。同时，较高的驱动电压对应一个更快的分离速度；另一方面，pH值会影响重金属离子的水解，杯芳烃对重金属离子的络合以及电渗流速度；通过选择合适的电压和pH值，最大程度上实现多种重金属离子的分离，在水污染治理以及重金属废液的回收利用具有广泛的应用。

技术领域

本发明属于重金属离子分离技术领域，具体涉及一种基于纳米孔装置的水体重金属离子逐步分离法。

背景技术

吸附法主要是依靠一些具有较大比表面积和较高表面能的材料（如活性炭、沸石、硅藻土、凹凸棒石等）对水中重金属污染物具有较强的吸附能力而实现将其从水中分离去除的方法。该法的优点是吸附剂与吸附质间的吸附反应通常都很迅速，且无须添加其它药剂，具有高效、快速和适应性强的优点，但也存在吸附材料价格高、使用寿命短、需再生和操作费用高等问题。近年来国内外许多学者正努力寻求新型吸附材料，如利用玉米棒子芯、白杨木材锯屑、改性粘土等自然资源作为天然吸附材料，或利用微生物作为生物吸附材料等等，拓展了吸附法在水处理中的应用。吸附法可用作常规工艺的预处理或深度处理工艺。用于重金属处理的活性炭应选用专用活性炭并进行适当活化；除活性炭外，其它材料除作应急应用外，还缺乏长期大规模的应用经验。此外，废弃的吸附剂应进行妥善的处置。

化学沉淀法是指向水体中投加药剂，依据容度积原理，通过化学反应使呈溶解状态的重金属转变为不溶于水的重金属化合物而沉淀去除的方法。根据投加药剂的不同，可分为中和沉淀法（投加碱性中和剂）、硫化物沉淀法（投加硫化物）和铁氧体共沉淀法（投加产生氢氧化铁或其它重金属氢氧化物沉淀的药剂）。由于受沉淀剂和环境条件的影响，经该方法处理后，出水中残留金属离子浓度往往难于达到饮用水卫生标准的要求，而需作进一步处理。同时，产生的沉淀物还须妥善处置，以防二次污染。

氧化还原法主要用于处理水体中Cr⁶⁺、Cd²⁺和Hg²⁺等重金属离子，如利用还原性的物质将Cr⁶⁺转化为生物毒性较低的Cr³⁺后联用沉淀法予以去除。该法的优点是原料来源广泛，处理效果好，但是污泥量大，出水呈碱性，其用于水源水体去除重金属的研究鲜有报道。

电解法是应用电解的基本原理，使水体中重金属离子在阳极和阴极上分别发生氧化还原反应而分离出来，然后加以利用。该方法工艺成熟，占地面积小，但耗电量大，处理水量小，且电解液还有可能对环境造成二次污染。此外，由于处理时水中的重金属离子浓度不能降得很低，所以该法不适于处理含有较低浓度重金属离子的水源水。

生物絮凝法是利用微生物或微生物产生的代谢物进行絮凝沉淀的一种除污方法。起絮凝作用的微生物絮凝剂是一类由微生物产生并分泌到细胞外、具有絮凝活性的代谢物，其分子中含有多种官能团，能使水中胶体悬浮物相互凝聚沉淀。与传统的无机絮凝剂和合成有机絮凝剂的絮凝法相比，该法具有安全无毒、不产生二次污染等优点。此外，微生物还可以通过驯化或遗传工程构造出具有特殊功能的菌株，使其具有更为广阔的应用前景。但这一方法尚存在着生产成本较高、活体絮凝剂保存困难等难题。

生物吸附法是利用生物体（主要是微生物菌体）本身的化学结构及成分特性来吸附溶于水中的重金属离子，再通过固液两相分离去除水溶液中重金属离子的方法。在吸附过程中，微生物的细胞壁、细胞膜都能通过络合、螯合、离子交换等作用将重金属吸附，其中带负电荷的细胞表面依靠静电作用吸附金属阳离子，而膜蛋白上的磷酸基、羧基和羟基等与金属离子形成配位键而将其固着。生物吸附剂具有来源广、价格低、吸附能力强等优点，但由于形成的絮体密度较小，强度较低，并且生物体有可能释放出一些有毒有害物质等问题，该方法目前在水源水体重金属污染防控方面应用较少。

发明内容