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标签：学科前沿

关键词：离子液体分离电沉积重金属

由于全球人口迅速增加，各种废水的排放量也显著增加，其中更是有部分废水未经适当处理就被直接排放到环境中。通常废水主要由水（ca.0.1%的固体物质）组成，但其中剩余的污染物已足以对环境和生态系统造成不利影响。废水处理会产生大量的污泥，这是一种由残余有机物和死细菌组成的半固体，通常很难处理。由于它富含有机质和养分，可作为土壤调节剂和肥料，但由于病原体和重金属的存在，这些污泥往往不能直接作为肥料使用。此外，ZnII、CuII、NiII、PbII、CdII、CrIII、CrVI、HgII、AsIII和AsVI等重金属在水生环境中具有较高的溶解度，可能通过食物链在人体内积累，对人体健康产生严重危害。

污泥中的重金属通常可以通过生物和化学萃取来去除。生物萃取通常非常缓慢，还需要严格控制pH值等操作条件。相比之下化学萃取通常要快得多，并且可以通过酸处理或将污泥与螯合剂接触来实现。然而很多无机酸是不可生物降解的，所以萃取过程对环境不友好，而螯合剂也是如此。虽然有机酸是可生物降解的，但大多数有机酸处理缓慢，最终产品仍然必须被中和为水合金属氧化物的沉淀。

离子液体(ILs)具有极低的饱和蒸汽压、宽的液体温度范围以及宽的电化学窗口，在各大领域具有广泛的应用。ILs的使用提供了一种更可持续的化学萃取技术来去除污泥中的重金属，其最终产品还不需要中和处理。目前ILs已经被用于木质纤维素预处理，也被证明在废木材和碳氢化合物流的金属净化方面是有效的。

基于此，伦敦帝国理工学院的JasonP.Hallett等人使用ILs从污水污泥中回收重金属，取得了良好的效果。

图1.ILs回收金属的工艺流程

（图片来源：Environ.Sci.Technol.）

图2.不同ILs除去金属的情况

（图片来源：Environ.Sci.Technol.）

研究人员设计了一个流程模型来对污泥中的金属进行回收。该模型包括将污泥与新鲜和再循环的ILs混合物接触的处理反应器、将污泥从ILs中分离出来过滤器、除去溶剂以进行再循环的闪蒸、用水去除残渣的接触器、燃烧残渣的燃烧室、储水罐、将ILs与水分离的第二次闪蒸、电沉积反应器、以及将回收的ILs与新鲜ILs重新混合的混合罐。研究人员发现[Hmim]Cl对金属元素的萃取效果最好，其顺序为ZnIICuIICdIIPbIIAsIIICrIII。而[TEA][HSO4]和[DMBA][HSO4]这两种ILs去除CrIII的效率更高，但它们对PbII的萃取效率很低，并且发现它们能萃取大量(40-50%)的PV。

图3.不同萃取条件对金属去除效率的影响

（图片来源：Environ.Sci.Technol.）

研究人员对萃取的条件进行了研究，发现在90°C附近有一个温度阈值，低于该温度阈值时，温度进一步降低将导致萃取效率显着降低，这可能是由于较低温度下ILs粘度的增加降低了传质速率。对于接触时间，在30分钟后，更长的接触时间无法得到更高的萃取效率，这表明萃取动力学比典型的酸处理和生物提取快得多。尽管低固/液(S/L)比率对萃取速率影响很小，但发现将S/L比率从1:2增加到1:1会显着影响萃取效率。

图4.ILs的循环使用性能

（图片来源：Environ.Sci.Technol.）

之后研究人员测试ILs的可回收性。在每个循环中，回收富含金属离子的ILs，并通过蒸发/添加水对其水含量进行校正，然后将其重新用于污泥滤饼中萃取金属。结果表明，每个循环的萃取效率损失很小，ILs在每个循环中都吸收了相同数量的金属离子，ILs中金属离子的积累量完全在[Hmim]Cl的溶解度范围内。此后研究人员还可以通过电沉积的方法将金属离子从ILs中分离出来。

综上所述，研究人员采用ILs对污泥进行金属去除处理，具有较好的金属去除效率，同时还能通过电化学沉积将金属分离出来，有望用于实际废水污泥中金属的处理。

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