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改性木屑的制备及其对铜离子的高效吸附机制研究

一、引言

1.1研究背景

在当今工业化和城市化进程不断加速的时代，重金属污染已成为全球范围内备受瞩目的环境问题之一。从20世纪50年代起，一系列与重金属相关的重大环境污染事件频繁发生，如1953年日本水俣病、1955年日本痛痛病以及1970年孟加拉国的砷中毒事件等，这些事件对人类生命安全与健康造成了极其严重的危害，给当地生态环境带来了难以逆转的破坏。我国作为重金属生产和使用大国，在长期的矿产开采、加工以及工业化应用过程中，重金属污染问题逐渐积累并凸显，形势一度极为严峻。据相关数据显示，约1/5的耕地受到镉、砷、铬、铅等重金属的污染，《第二次全国污染源普查公报》公布2017年我国水中重金属污染物（铅、汞、镉、铬和类金属砷）排放量为182.54t，其中有色金属矿采选业、金属制品业以及有色金属冶炼和压延加工业是主要的排放行业。

铜作为一种重要的重金属，在工业生产中应用广泛，涉及冶金、电子、电镀、化工等多个行业。在金属冶炼过程中，特别是铜的冶炼和精炼阶段，会产生大量含铜废水；电子元件制造、电路板生产等过程中，使用含铜材料和化学品也会产生含铜废水；电镀行业中，铜作为常用镀层材料，其废水往往含有高浓度的铜离子；化工产品如染料、颜料、农药等的制造过程，因使用含铜原料或催化剂，同样会产生含铜废水。然而，若含铜废水未经有效处理直接排放，将会对环境造成严重污染。铜离子会破坏水体的生态平衡，影响水生生物的生存和繁殖，通过食物链的生物积累、生物浓缩和生物放大作用，最终对人体健康产生危害，如刺激胃肠道，引起呕吐、腹泻等症状，长期摄入还可能导致中毒，影响神经系统和血液系统等。

为了解决重金属污染问题，尤其是铜离子污染，众多处理技术应运而生，包括化学沉淀、渗透膜、离子交换、氧化、活性炭吸附和共沉淀吸附等。但这些传统方法普遍存在成本较高的问题，在实际工程应用中受到一定限制。例如，化学沉淀法虽操作相对简单，但会产生大量难以处理的沉淀物，容易造成二次污染；渗透膜技术设备昂贵，运行和维护成本高；离子交换法中离子交换树脂的再生和成本问题也限制了其广泛应用。近年来，吸附法因其具有效果显著、操作简单以及成本低廉等特点，成为重金属废水处理领域的研究热点和核心技术之一。

吸附法处理重金属废水的关键在于吸附剂的选择和性能优化。生物质吸附剂因来源广泛、价格低廉、可再生、无污染等优势，受到了众多研究者的青睐，其中木屑作为一种常见的生物质材料，具有成为高效吸附剂的潜力。木屑主要由木质素、纤维素等物质组成，其表面含有大量的羟基、羰基等活性基团，这些活性基团含有可以与Cu2?空轨道配位的孤对电子对，使得木屑本身对铜离子具有一定的吸附能力。然而，天然木屑的吸附性能有限，通过制备活性炭和化学改性等方式，可以增加木质材料的比表面积和吸附位点，显著提高其对Cu2?的吸附性能。因此，对木屑进行改性制备高效吸附剂，用于去除废水中的铜离子，具有重要的研究意义和实际应用价值，既可以有效解决铜离子污染问题，又能实现生物质资源的高效利用，符合可持续发展的理念。

1.2研究目的与意义

本研究旨在通过对木屑进行改性处理，制备出具有高效吸附性能的吸附剂，以显著提升其对铜离子的吸附能力，为含铜废水的处理提供一种经济、环保且高效的解决方案。具体研究目的如下：

制备新型改性木屑吸附剂：通过对木屑进行化学改性，引入更多对铜离子具有强亲和力的活性基团，开发一种新型的、高效的吸附材料，以满足实际废水处理的需求。

探究吸附性能与机制：系统研究改性木屑对铜离子的吸附性能，包括吸附容量、吸附速率、吸附选择性等，并深入探讨吸附过程的影响因素和吸附机制，为吸附剂的优化和实际应用提供理论基础。

评估实际应用潜力：通过模拟实际含铜废水处理过程，评估改性木屑吸附剂在不同条件下的处理效果和稳定性，考察其在实际应用中的可行性和优势，为其进一步推广应用提供技术支持。

本研究对于环境保护和资源利用具有重要的现实意义，主要体现在以下几个方面：

有效解决铜离子污染问题：含铜废水的排放对生态环境和人类健康造成严重威胁，本研究制备的改性木屑吸附剂能够高效去除废水中的铜离子，降低其对环境的污染，有助于保护水体生态平衡，保障水资源的安全和可持续利用，减少铜离子通过食物链对人体健康的潜在危害。

推动生物质资源的综合利用：木屑是木材加工等行业的常见废弃物，来源广泛且价格低廉。将木屑进行改性制备吸附剂，实现了生物质资源的高值化利用，不仅减少了废弃物的排放和处理成本，还为其开辟了新的应用途径，符合循环经济和可持续发展的理念，有助于推动资源节约型和环境友好型社会的建设。

提供经济可行的废水处理方案：传统的含铜废水处理方法存在成本高、操作复杂、易产生二次污染等问题，限制了其广泛应