活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭用于从废水中吸附去除微量镉和铅

　　重金属镉(Cd)和铅(Pb)对水体的污染是全球性的环境挑战。活性炭吸附法因其高效、经济及操作简便的特点，成为去除废水中微量重金属的关键技术之一。本文综述了活性炭吸附去除水中镉和铅的机理，重点分析了以污泥、竹子、农业废弃物等可持续材料制备的活性炭性能，其去除率可高达99.99%。文章探讨了比表面积、孔径分布、表面官能团以及溶液pH值、初始浓度等因素对吸附效能的影响，并通过准二级动力学和Langmuir等温线模型解析了吸附过程。最后，展望了磁性活性炭、生物分子修饰活性炭等新型复合吸附材料的未来发展前景。

　　随着工业化和城市化的快速发展，含有有毒重金属镉和铅的废水排放对水生态系统和人类健康构成了严重威胁。这些重金属离子具有高毒性、不可生物降解性和生物累积性，即使微量存在也可能通过食物链放大，引发肾脏损伤、神经系统疾病等多种健康问题。因此，开发高效、经济且环保的废水深度处理技术至关重要。

　　在多种物理、化学和生物处理方法中，吸附法因其设计灵活、效率高、成本相对较低且易于操作而被广泛采用。活性炭作为一种传统且高效的吸附剂，其核心优势在于巨大的比表面积和丰富的孔隙结构。近年来，研究重点从依赖化石燃料原料的传统活性炭，转向以污水污泥、农业残余物、林业废弃物等可再生资源制备的可持续活性炭。这种转变不仅降低了成本，实现了“以废治废”，也符合循环经济的发展理念。本文旨在系统阐述活性炭吸附去除镉和铅的原理、影响因素、材料创新及实际应用，为废水处理提供科学参考。

　　活性炭吸附重金属的机理

　　活性炭对镉、铅离子的吸附是一个复杂的物理化学过程，主要涉及以下几种机理：

　　物理吸附：依赖于活性炭巨大的比表面积(可高达1946m²/g)和发达的孔隙结构(微孔、中孔)。重金属离子通过范德华力被捕获在孔隙内部。例如，污泥基活性炭(SBAC2)的比表面积达498.386m²/g，为其高效吸附提供了基础。

　　化学吸附：活性炭表面富含的含氧官能团(如羧基-COOH、羟基-OH)与Cd²⁺、Pb²⁺发生离子交换、表面络合等化学反应。研究表明，吸附过程更符合准二级动力学模型，表明化学吸附是限速步骤。

　　静电相互作用：溶液pH值影响活性炭表面电荷和重金属离子的存在形态。在较低pH下，大量H⁺会与金属离子竞争吸附位点;随着pH升高，活性炭表面负电荷增加，通过静电引力更易吸附带正电的金属离子。

　　不同来源活性炭的性能比较与改性策略

　　为提升活性炭的性能并降低成本，研究者开发了多种基于废弃物的活性炭及其改性产品。

　　污泥基活性炭

　　将城市污水处理产生的污泥转化为活性炭，是资源化利用的典范。一项2024年的研究开发了两种污泥基活性炭(SBAC1和SBAC2)，在实验条件下对Cd²⁺和Pb²⁺的去除率接近99.99%。该材料经五次连续吸附-再生循环后仍保持高吸附容量，显示出良好的经济性和重复使用潜力。

　　生物质基活性炭

　　以农业废弃物为原料制备的活性炭也表现出色。例如，竹子活性炭处理酸性煤矿地下水时，在优化条件下对Cd²⁺的去除率达98.11%，并能有效中和水体酸性。

　　改性及复合活性炭

　　通过物理或化学改性，可以显著增强活性炭的吸附性能。

　　磁性改性：在活性炭中负载Fe₃O₄等磁性颗粒制成磁性活性炭(MAC)。研究表明，MAC在去除Pb²⁺时效能显著优于普通活性炭，且在吸附后可通过外加磁场快速分离，便于回收。

　　生物分子修饰：创新的研究将蛋白质(如β-乳球蛋白)与活性炭结合。计算模拟和实验表明，β-乳球蛋白能为Cd²⁺和Pb²⁺提供多个特异性结合位点，形成增强型复合材料，在极低添加量(0.05-0.2%)下即可显著降低重金属的生态毒性。

　　影响吸附性能的关键因素

　　活性炭对重金属的吸附效率受多种操作参数和环境条件的影响：

　　溶液pH值：这是最关键的因素之一。通常，在中性至弱碱性条件(pH6-8)下吸附效果最佳，因为此时重金属离子水解程度低，且活性炭表面负电荷较多，利于静电吸附。

　　初始浓度与吸附剂投加量：重金属初始浓度越高，所需达到平衡的吸附剂投加量一般也越大。存在一个经济高效的最佳投加比。

　　接触时间与温度：吸附过程通常在初期较快，随后逐渐达到平衡。大多数研究显示，吸附镉和铅的过程是吸热和自发的，适当升高温度有利于吸附进行。

　　共存离子：实际废水中常存在多种竞争离子(如Ca²⁺、Mg²⁺、其他重金属)，它们会竞争活性炭上的有限吸附位点，可能降低目标重金属的去除效率。

　　实际应用与挑战

　　活性炭吸附技术已从实验室研究走向实际工程应用。例如，竹子活性炭工艺已被用于处理煤矿酸性污染地下水，使出水中的Cd²⁺浓度从超标状态降至0.005mg/L，满足《地下水质量标准》Ⅲ类水要求。欧盟新版城市废水处理指令也预计将创造每年27万吨活性炭的巨大需求，推动基于残余木材等生物质的可持续活性炭生产。

　　然而，该技术在实际推广中仍面临挑战：

　　1.成本问题：高性能活性炭(尤其是改性炭)的制备成本仍较高。

　　2.竞争吸附：复杂废水基质中多种污染物的共存会降低目标重金属的去除效率。

　　3.再生与处置：饱和活性炭的再生能耗较高，而最终固体废弃物的安全处置也需要考虑。

　　未来的研究将集中于开发选择性更强、再生性能更优、成本更低的复合吸附材料，并优化其在实际连续流废水处理工艺中的应用参数。

　　活性炭吸附技术是去除废水中微量镉和铅的一种极具前景的方法。利用污泥、竹子、农业废弃物等可再生资源制备活性炭，不仅实现了废物资源化，还以低成本获得了高性能吸附剂，其对Cd²⁺和Pb²⁺的去除率可超过99%。通过磁性改性、生物分子修饰等策略，可以进一步赋予活性炭易于分离或高选择性的优势。尽管面临实际废水成分复杂等挑战，但随着材料科学的进步和工艺的优化，活性炭吸附技术必将在重金属废水净化领域发挥更核心的作用，为保障水环境安全和人类健康做出重要贡献。

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