净水奇缘：水中的重金属离子去哪了？

镇上的猫咪走路摇摇晃晃，仿佛醉酒一般，接着便发疯似地跳入大海，似乎在试图扑灭身上无形的火焰。不久后，镇子上的居民开始口齿不清，走在路上步履蹒跚，面部表情痴呆......甚至还出现了精神失常的居民，逐渐死亡。这个镇子怎么了......

一、水俣病

1953年，日本熊本县水俣镇发现了一种奇怪的病。此病症最早出现在猫身上，一些猫出现行为异常，如怪叫、步态不稳、跳海自杀等，被称为“自杀猫”。随后，这种病症开始出现在人身上，轻者口齿不清、步履蹒跚、面部痴呆、视觉丧失等，重者精神失常等，直至死亡。当时由于不明病因所以将此病症称为“水俣病”。

图1 水俣病

水俣病是一种由于长期摄入含有机汞的水产品引发的慢性汞中毒疾病人体的中枢神经系统受损，主要表现为感觉障碍、运动失调、肌肉萎缩、视听障碍等症状，严重者可导致死亡。水俣病不仅影响成年人，还可通过孕妇传递给胎儿，造成先天性水俣病。

那么，水里的汞从何而来呢？

二、水体中的重金属离子

新日本窒素水俣工厂将含有大量汞的废水未经处理直接排入水俣湾，这些废水中的汞在沉淀物中被微生物转化为毒性更大的甲基汞。通过生物富集进入动物或人体内，对其中枢神经系统造成巨大损伤。

除了汞，水体中的常见有毒金属离子还包括铅、镉、铬、砷等，这些元素难以被生物降解，容易累积。在一定浓度下会对生态系统和水生产物产生毒性作用，并对人体健康造成威胁。这类污染主要来源于工业废水、矿产开采、农药使用和金属冶炼等，具有较强的化学活性。

三、水体中的重金属离子处理技术

水体中的重金属离子处理是工业废水处理中的一个重要分支，高效、经济、环保的水体处理技术对于环境保护和人类健康都具有重要意义。根据马林峰等学者的研究成果，Na₂S 改性生物炭具备高效地吸附水中的重金属离子的能力，为处理重金属污染的水提供了相当有效的一种方法。

1.制备过程：

（1）原材料准备：首先要有生物炭，生物炭是由生物质（比如植物秸秆、木材等）在缺氧的环境下经过高温热解产生的一种富碳材料。它具有丰富的孔隙结构和较大的比表面积，就像一个有很多小房间的“微观公寓”，为吸附重金属离子提供了空间。

图2 生物炭

（2）改性剂添加：然后将 Na₂S 加入到生物炭中。Na₂S 在水中会发生水解反应，产生 S²⁻离子。这些 S²⁻离子就像是一个个 “小钩子”，能够与重金属离子紧密结合。

（3）混合与反应：把含有 Na₂S 的溶液与生物炭充分混合，让 Na₂S能够均匀地分布在生物炭的表面和孔隙中。在一定的条件下（比如合适的温度、反应时间等），Na₂S 与生物炭发生相互作用，对生物炭进行改性。经过改性后的生物炭，其表面的化学性质和结构发生了变化，变得更有利于吸附重金属离子。

2.吸附机理：

（1）离子交换：生物炭本身含有一些阳离子，比如钾离子（K⁺）、钠离子（Na⁺）等。当含有重金属离子的溶液与 Na₂S改性生物炭接触时，重金属离子会与生物炭表面的这些阳离子发生交换。就好像是在一个 “离子交换站”，重金属离子取代了原来的阳离子，从而被吸附到生物炭上。

（2）化学沉淀：Na₂S水解产生的 S²⁻离子与重金属离子具有很强的亲和力，它们会结合形成难溶性的硫化物沉淀。这些沉淀会附着在生物炭的表面和孔隙中，从而实现对重金属离子的吸附。例如，对于铜离子（Cu²⁺）、汞离子（Hg²⁺）等，都可以通过这种方式被吸附。

（3）表面络合：改性后的生物炭表面具有丰富的官能团，如羟基（-OH）、羧基（-COOH）等。这些官能团可以与重金属离子发生络合反应，形成稳定的络合物。就像是用 “化学键” 把重金属离子牢牢地固定在生物炭上，增强了吸附的稳定性。

（4）物理吸附：生物炭的孔隙结构提供了较大的比表面积，使得重金属离子可以通过物理吸附的方式附着在生物炭的表面。这种吸附方式主要是依靠分子间的引力，虽然相对较弱，但也对整体的吸附效果有一定的贡献。

Na₂S改性生物炭通过上述多种吸附机理的协同作用，能够高效地吸附水中的重金属离子。这种方法具有操作简单、成本较低、吸附效果好等优点，在环境保护和水污染治理领域具有广阔的应用前景。

来源: Perovskite