飲用水除砷技術現狀及展望

更新時間：2009-09-03 10:54 來源：作者: 徐大偉閱讀：4243

砷（As）是一個廣泛存在并且具有準金屬特性的元素，呈灰色斜方六面體結晶，有金屬光澤，既不溶解于水又不溶解于酸，為非人體必需元素。砷的毒性與它的化學性質和價態有關。單質砷因不溶于水，攝入有機體后幾乎不被吸收而完全排出，一般無害；有機砷（除砷化氫的衍生物外），一般毒性較弱；三價砷離子對細胞毒性最強，尤以三氧化二砷(俗稱信石，砒霜等)的毒性最為劇烈，三價砷進入人體內，可與蛋白質的巰基結合形成特定的結合物，阻礙細胞的呼吸而顯毒性作用，而且三價砷對線粒體呼吸作用也有明顯的作用；五價砷離子毒性不強，當吸入五價砷離子時，產生中毒癥狀較慢，要在體內被還原轉化為三價砷離子后，才發揮其毒性作用[1]。砷也是致癌、致突變因子，對動物還有致畸作用。長期飲用高砷水，會引起花皮病或皮膚角質化等皮膚病，黑腳病，神經病，血管損傷，以及增加心臟病發病。天然水中的砷來源于農業和林業使用砷化合物藥劑，還來源于冶金、化工、化學制藥、制革、紡織、木材加工、玻璃、油漆顏料和陶瓷等工業廢水對天然水體的污染。我國的內蒙古、新疆、臺灣等地飲水中含砷量高達0.2-2.0mgAs/l，嚴重超過我國現行飲水衛生標準＜0.05mgAs/l，導致地方性砷中毒，飲用水除砷是防治地方性砷中毒的關鍵措施，所以，安全、有效、經濟的飲水除砷方法的研究顯得尤為重要。

目前，飲用水除砷措施主要可概括為混凝法、吸附法、離子交換法等。下面將一一做詳細介紹：

1 混凝法

混凝法是目前在工業生產和處理生活飲用水中運用得最廣泛的除砷方法，并且可以很好的使工業污水達到排放標準，使生活飲用水達到飲用標準。最常見的混凝劑是鐵鹽，如三氯化鐵、硫酸亞鐵、氯化鐵；鋁鹽，如硫酸鋁、堿氯化鋁、聚鋁；還有硅酸鹽、碳酸鈣、煤渣(主要成分是SiO2和Al2O3有骨架結構和微孔)經粉碎及高溫培燒活化后做混凝劑，另外還有聚硅酸鐵(PFSC)、無機鈰鐵(稀土基材料)等做混凝劑。研究表明，鐵鹽的除砷效果好于鋁鹽,而且對As（Ⅴ）的去除效果明顯好于As（Ⅲ），所以在除砷過程中常對所處理的水進行預氧化，把三價As(Ⅲ)氧化為五價As(Ⅴ)，再進行混凝[2]，為了提高氧化效果，有時還會加入催化劑促進氧化。袁濤等人[3]通過正交試驗，觀察混凝劑成分變化、助凝劑的添加等因素對除砷效果的影響，發現當混凝劑成分分別為硫酸鐵、硫酸鋁、硫酸鐵與硫酸鋁聚合而成的復合物（質量比3：1）、硫酸鐵和硅酸鈉的聚臺物（SiO2含量約2%）時，單純用硫酸鐵的除砷效果是最好的，在待除砷水中添加活性炭或高嶺土對上混凝劑的除砷效率無明顯增強作用。但采取過濾措施后．砷去除率明顯提高，這說明混凝劑水解產物形成的膠體顆粒吸附有砷，同時在pH值較高時鐵離子還會產生大量的氫氧化鐵膠體，這種膠體具有較大的比表面和較高的吸附能力，能和砷酸根發生吸附共沉淀，使砷的去除率明顯提高。一般認為，混凝劑投加后，能夠促使溶解狀態的砷向不溶的含砷反應產物轉變，從而達到將砷從水中去除的目的。該過程可概括整理成以下三個方面：(1)沉淀作用，水解的金屬離子與砷酸根形成沉淀；(2)共沉淀作用．在混凝劑水解—聚合一沉淀過程中．砷通過被吸附、包裹、閉合(或絡合)等作用而隨水解產物一起沉淀；(3)吸附作用，砷被混凝劑形成的不溶性水解產物表面所吸附。后2種機制可能更為重要，因為在飲水除砷處理中，一般pH＞5.5，該條件下不易形成FeAsO4沉淀。

混凝法方法需要大量的混凝劑，產生大量的含砷廢渣無法利用，且處理困難，長期堆積則容易造成二次污染，因此該方法的應用受到一定的限制。

2 吸附法

吸附法是一種簡單易行的水處理技術，一般適合于處理量大、濃度較低的水處理體系。該方法是以具有高比表面積、不溶性的固體材料作吸附劑，通過物理吸附作用、化學吸附作用或離子交換作用等機制將水中的砷污染物固定在自身的表面上，從而達到除砷的目的。主要的除砷吸附劑有活性氧化鋁、活性炭、骨炭、沸石以及天然或合成的金屬氧化物及其水合氧化物等。李艷紅等[4]比較了活性氧化鋁、活性炭、骨炭、沸石的動態效果，結果發現，在條件一致的情況下，小顆粒活性氧化鋁除三價砷效率可達80％，除五價砷效率達86％；而骨炭只有25％和50％，活性炭為25％和44％，沸石為10％和30％。表明活性氧化鋁除砷效率明顯優于其他凈水劑。凌波等人[5]對強化除砷凈水劑進行了除砷試驗，結果發現，這種以粉末活性碳和不同產地骨炭作骨架、改性后加工而成的強化凈水劑，除砷容量及除砷效率均比原材料高50倍，比市售除砷材料高10倍，除砷性能專一，只去除水中的砷，不改變水中其他元素的組成和含量，對原水pH也無嚴格要求，可以使用簡單方法再生。李曼尼等[6]研究了微波法磷改性斜發沸石的結構及其對水中砷的去除，發現斜發沸石微波磷改性后：(1)晶胞體積收縮，相對結晶度降低，比表面積、孔體積和微孔體積明顯減小。(2)可以改變沸石骨架上原子的鍵合方式。(3)除砷量明顯增大，去除水中砷的能力更強。改性前，礦樣除砷屬表面物理吸附機理，改性后，礦樣除砷屬陰離子交換機理。梁慧鋒等人[7]就新生態MnO2對水中三價砷去除作用進行了研究，發現新生態MnO2對As(Ⅲ)有很好的去除效果，As(Ⅲ)的去除是吸附和氧化共同作用的結果，其去除率高、作用速度快，去除效果只受pH 的影響，是非專性吸附過程，去除過程中As(Ⅲ)濃度的減少符合二級動力學方程，等溫吸附過程符合Langmuir和Frundlich方程，最大吸附量分別為50.76、63.7，mg/g陽離子Ca2+、Fe2+、Fe3+等的加入，可以使As(Ⅲ)的去除率接近100%，SO42-和PO43-等陰離子與As(Ⅲ)發生競爭吸附，使As(Ⅲ)去除率降低。還有人用納米二氧化鈦、鋁和稀土元素的金屬氧化物或氫氧化物、鈰鐵復合材料等做吸附劑除砷[8、9、10]。

用吸附法除砷效果易受有機物、pH值、水中砷的存在形態及濃度、其它陰陽離子成分及濃度的影響，且吸附劑材料價格較貴，筆者認為可采用適當的預處理措施，如采用多級過濾后再使用吸附劑。

3 離子交換法

離子交換法也是一種有效的脫砷方法，其運用于除砷也越來越廣泛。劉瑞霞等[11]制備了一種新型離子交換纖維，該離子交換纖維對砷酸根離子具有較高的吸附容量和較快的吸附速度。胡天覺等[12]合成制備了一種對As(III)離子高效選擇性吸附的螯合離子交換樹脂，用該離子交換柱脫砷，溶液脫砷率高，脫砷溶液中砷含量完全達標，而且離子交換柱用氫氧化鈉（含5% 硫氫化鈉）作洗脫液洗滌，可完全回收As(III)并使樹脂再生循環利用。

由于離子交換法投資高，操作較復雜，原水中含其它鹽量較高時，需對原水進行預處理，需要酸堿再生，再生廢水必須經處理合格后排放，存在環境污染隱患，細菌易在床層中繁殖，且離子交換樹脂會長期向純水中滲溶有機物。

4 其他方法

其他方法如反滲透法在對生活飲用水進行除砷的實驗中也取得了良好的效果，是一種有效的除砷方法，但該法還只停留在實驗階段，實際中還未得到應用。有利用電吸附技術去除水中砷，也取得了較好的效果[13]。還有用改進的飛灰床過濾去除飲用水中的砷的方法，過濾結果令人滿意。

另外美國Solmetex公司成功研制了一種突破性的飲用水納米除砷技術，該技術已經在美國西南部進行了多次現場試驗，并成功地展示了其處理能力和效果。而目前熱門的還有生物除砷法，該法具有除砷效果好，費用低，處理后二次污染小等優點，但多用于廢水除砷，而用于飲用水除砷還少見報道。等等。

5 展望

以上所述的各種方法均存在著各自的優缺點，隨著水質的日益復雜，今后的除砷技術將朝著多種藥劑聯合使用，幾種方法結合處理的研究方向發展，且需要研究出高效價廉的除砷材料以適應砷的飲水標準日趨嚴格的要求，同時，生物除砷法也將成為具有發展前途的處理方法。此外，我國飲用高砷水人群大多居住于農村，所以迫切需要用于家庭除砷器或適于集中供水的除砷設備的研制。我們期待著安全、高效、經濟的除砷新技術、新工藝、新材料、新設備的出現

參考文獻：

[1] 曹會蘭.砷對人體的危害與防治.化學世界，2003，（10）：559-560.

[2] 陳敬軍，蔣柏泉，王偉.除砷技術現狀與進展. 江西化工，2004，（2）：1-4.

[3] 袁濤,羅啟芳. 影響混凝沉淀除砷劑效果的若干因素及其除砷機理探討.衛生研究，2001，30（3）：152-154.

[4] 李艷紅，鄭重，于廣軍，等．幾種除砷劑除砷效果比較[J]．內蒙古地方病防治研究所，1994，19(增刊)：72．

[5] 凌波，李樹猷，朱琦平，等．強化飲水除砷劑的研制[J]．衛生研究，2001，30(3)：155-157．

[6] 李曼尼，楊睿媛，吳瑞鳳，等. 微波法磷改性斜發沸石的結構及水中除砷的研究.環境化學，2003，22（6）：591-595.

[7] 梁慧鋒，馬子川，張杰，等. 新生態二氧化錳對水中三價砷去除作用的研究.環境污染與防治，2005，27（3）：168-171.

[8]肖亞兵，錢沙華，黃進泉，等．納米二氧化鈦對砷(Ⅲ)砷(V)吸附性能的研究[J]．分析科學學報，2003，19(2)：172-174．

[9]歐陽通．稀土材料氫氧化鈰吸附水中亞砷酸與砷酸陰離子的特性效果[J]．環境科學，2004，25(6)：43-47．

[10]張昱，楊敏，高迎新，等．用于地下水中砷去除的鈰鐵復合材料的制備和作用機制[J]．中國科學(B)輯，2003，33(2)：127-132．

[11]劉瑞霞，王亞雄，湯鴻霄．新型離子交換纖維去除水中砷酸根離子的研究[J]．環境科學．2002．23(5)：88-94．