关于肠形动物多糖对重金属-有机复合污染清除效果的研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Study on the removal effect of Enteromorpha polysaccharide on heavy metal-organic composite pollution

复合絮凝剂处理重金属与有机物复合污染的地下水研究：PAC/Ep系统通过静电中和、吸附桥接和络合作用显著提升去除效率，最佳剂量下重金属去除率达98.5%。

　　

薛晨|李英强|李梅玲|蔡亚茹|薛涵|张世达|王进|杨志刚|宋阳

山东建筑大学资源与环境创新研究院，济南250101，中国

摘要

地下水中重金属离子与有机化合物的共存给水处理带来了重大挑战。传统方法往往难以有效应对这些复杂的污染物。本研究介绍了一种新型复合混凝系统，该系统将聚合氯化铝（PAC）与从天然肠形藻类中提取的肠形藻多糖（Ep）结合使用，以增强污染物去除效果。通过对比PAC/聚二甲基二烯丙基氯化铵（PD）系统，研究了这种复合混凝剂在含有重金属（Cu²⁺、Cd²⁺）和有机化合物的废水中的混凝效率及作用机制。结果表明，PAC/Ep系统显著提高了去除率，尤其是在富含腐殖酸（HA）的样品中，其去除重金属的效果比单独使用PAC高出3.5%。通过优化投加量（PAC 10 mg/L，Ep 0.5 mg/L），该系统对腐殖酸和其他有机污染物表现出较强的适应性。利用透射电子显微镜（TEM）、粒径分布和Zeta电位分析等表征技术发现，PAC/Ep系统通过静电中和、吸附桥接和络合作用增强了絮体形成和污染物去除效果。研究表明，PAC/Ep系统是处理受复杂污染物污染的地下水的有效且可持续的方法，具有广泛的应用前景。

引言

地下水是人类和生态系统生存的重要资源[1]。然而，由于重金属具有极高的毒性、持久性以及在食物链中的生物累积能力（即使是在微量浓度下），其广泛污染已成为一个严重的全球环境问题[2]。其中，镉和铜离子对人类健康和生态安全构成严重威胁：Cd²⁺主要来自电镀和镍镉电池生产等工业过程，其在饮用水中浓度低至0.005 mg/L时即可引发贫血、肾功能障碍和神经系统疾病[3][4]；同样，过量的Cu²⁺（来源于采矿、农业径流和工业废物）与胃肠道疾病、肺癌和血色素沉着症有关[5]。鉴于这些危害，从废水中高效去除这些重金属至关重要[6][7]。

已有多种先进技术被用于重金属修复，包括吸附、膜分离、混凝、离子交换、植物修复、纳米材料应用和电化学过程[8][9][10]，但混凝仍是应用最广泛的方法，因为它具有成本效益高、操作简便和效率高的优点[11]。传统的混凝剂如氯化铁和聚合氯化铝（PAC）在去除铬（Cr）、镉（Cd）、锌（Zn）等金属方面表现出良好效果[12][13][14]。然而，在含有天然有机物（NOM）的复杂水体系中，它们的效果常常受到限制。为提高混凝效率，通常会使用高分子量混凝剂，如聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDMDAAC，简称PD）。近年来，人们对天然有机混凝剂产生了兴趣，因为它们不仅可生物降解，而且对环境友好[15]。研究表明，从大型藻类中提取的多糖具有显著的混凝性能。利用这些多糖不仅可以促进有效混凝，还有助于海洋废弃物的资源化利用，从而同时解决废水处理和海洋资源管理的问题[16]。

NOM显著影响混凝过程中重金属的迁移性和去除效率。研究表明，NOM成分（如腐殖酸）可通过羧基、硫醇和酚类官能团与金属离子形成稳定复合物，从而改变其生物可利用性和迁移性[17][18][19]。矛盾的是，虽然某些NOM组分（如疏水性酸）能增强金属-混凝剂聚集体的稳定性，但其他组分可能会通过屏蔽带电位点或竞争吸附位点来抑制金属去除[20]。这种相互作用凸显了开发能够应对复合污染问题的创新混凝剂的必要性。

本研究旨在通过将PAC与天然肠形藻多糖（Ep）和PD结合，开发一种新型复合混凝剂。将在不同参数条件下系统评估其在同时去除重金属和天然有机物方面的混凝性能，并利用TEM、Zeta电位和FTIR光谱等技术表征系统内的结构和界面相互作用。最后，将研究复杂水体系中的混凝机制，以阐明提高重金属去除效率的途径。

化学试剂和材料

本研究使用的所有化学品均为试剂级，高岭土为化学纯度。氯化铝（AlCl₃·6H₂O）、碳酸钠（Na₂CO₃、氯化钙（CaCl₂·2H₂O）和硫酸钠（Na₂SO₄）购自新华制药试剂有限公司；高岭土、PD和氯化铜（CuCl₂·2H₂O）购自上海麦克莱恩生化技术有限公司；镉和铜的标准溶液以及氯化镉（CdCl₂·H₂O）购自济南中宝公司

混凝剂的表征

PAC、PD和Ep的制备过程详见2.2节。由于混凝性能和机制与混凝剂的结构形态密切相关，因此采用TEM直接观察其微观特征，因为TEM具有高分辨率和放大能力。如图2(b-d)所示，PAC和PD均呈现分支结构，其中PD的分支程度更高，形成了紧密交织的三维网络

结论

PAC/Ep复合混凝系统在处理同时含有重金属和有机物的复杂污染时表现出显著的混凝性能提升。与传统PAC系统和PAC/PD系统相比，PAC/Ep系统表现出明显的协同效应。通过系统优化确定了复合混凝剂的最佳投加量：PAC为10 mg/L，PD/Ep为0.5 mg/L。在这些条件下，PAC/Ep系统

未引用的参考文献

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CRediT作者贡献声明

张世达：研究工作。薛涵：指导。杨志刚：验证、指导、研究。王进：研究。李英强：撰写、审稿与编辑、数据整理。薛晨：撰写、初稿撰写、方法学设计、资金申请。蔡亚茹：研究。李梅玲：指导。宋阳：资金申请。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了山东省顶尖人才专项基金（项目编号0031502）——黄河流域水环境健康关键技术和高端设备研发项目、山东省高校青年创新与科技计划（2023KJ007）以及山东建筑大学博士研究基金（项目编号X21076Z）的支持。