综述：从废水中去除重金属复合物的先进策略：实现高效清除与资源回收的结合

《Coordination Chemistry Reviews》：Advanced strategies for decontamination of heavy metal complexes from wastewater: Bridging efficient removal to resource recovery

重金属复合物（HMCs）的治理难题及去复杂化技术研究

　　重金屬複合物（HMCs）的去除一直是環境治理中的重大挑戰，其穩定的分子結構、內在的移動性和高度的生態毒性使得傳統的處理技術難以有效應對。本文系統地探討了HMCs的來源與環境風險，深入分析了其協調結構的穩定性與反應性，並對多種去除策略進行了評估，包括非去複合和去複合技術（氧化與還原），強調其機制與優劣比較。此外，文章還討論了去複合後重金屬離子與有機配體的轉化與歸趨，這對於資源回收至關重要。同時，對現有的試點與全規模試驗進行了探討，評估了這些技術在實際應用中的可行性。最後，文章提出了未來研究的方向，旨在引導開發更高效、集成化的HMCs去除與資源回收技術，以符合循環經濟的原則。

HMCs在水體中主要來源於工業、農業和城鄉生活等領域的人為活動（圖2A）。工業方面，電鍍、金屬加工、礦業和紡織製造等行業會使用螯合劑如EDTA、NTA、檸檬酸和酒石酸，以提高金屬的溶解度。例如，在電鍍過程中，氰化物與鋅和鎘形成穩定的複合物，使塗層均勻，但同時也產生了持久的污染問題。農業方面，農藥和肥料的使用會釋放含重金屬的有機配體，而城鄉生活污水中則可能含有來自日常用品和廢水處理過程中的螯合劑。這些HMCs在水體中具有高度的穩定性和移動性，使其難以被傳統的處理技術有效去除，同時也增加了其在生態系統中的生物累積風險。

HMCs的穩定性主要取決於三個因素：金屬中心的內在電子特性、配體的場強以及由此產生的配位幾何結構。具有高電荷密度的金屬（如Cu2+、Hg2+）或特定電子配置（如Zn2+、Cd2+的d1?電子結構）會與氮或硫等供體原子形成更強的共價鍵，從而提高複合物的穩定性。配體的齒數和螯合環的大小也對複合物的穩定性有著關鍵影響。例如，EDTA是一種六齒配體，其形成的螯合環具有較高的穩定性，使其成為去除重金屬的理想選擇。然而，這種穩定性也使得HMCs在環境中更難被分解，增加了其治理難度。

在去除技術方面，非去複合技術主要包括吸附、膜分離、置換和混凝等方法。這些技術的原理、機制、優勢與局限性均被詳細探討。吸附技術通過固體材料與重金屬複合物之間的物理或化學作用，實現污染物的去除。其優勢在於操作簡單、成本較低，但吸附劑的選擇性較差，且無法有效破壞金屬-配體鍵，因此對資源回收的幫助有限。膜分離技術則利用膜材料的選擇性，將HMCs與其他物質分離。雖然膜技術具有高效性和選擇性，但其能耗較高，且膜污染問題嚴重，限制了其在實際應用中的可行性。置換技術通過引入其他配體與原有配體競爭，從而取代重金屬離子，實現其去除。此方法的優點在於操作相對簡單，但其效率受配體濃度和反應條件的影響較大。混凝技術則通過加入混凝劑使HMCs形成絮體沉降，其優勢在於處理過程可控，但對低濃度污染物的去除效果較差。

去複合技術主要包括氧化和還原方法，這些技術依靠化學試劑、催化劑、氧化劑或高能輸入來破壞HMCs的穩定結構。氧化技術通常使用強氧化劑如過氧化氫或臭氧，將有機配體氧化分解，釋放重金屬離子。此方法的優點在於去除效率高，但可能導致配體的不完全分解，產生二次污染物，影響資源回收的可行性。還原技術則通過引入還原劑，將金屬離子還原為金屬單質或更低價態的離子，從而使其更容易被回收。然而，還原技術的能耗較高，且還原劑的選擇性有限，可能導致其他物質的同時還原，影響處理效果。

在去複合後，重金屬離子和有機配體的轉化與歸趨直接影響資源回收的可行性。釋放的重金屬離子可能與其他離子形成新的複合物，或與水中的其他物質反應，生成不溶性物質。有機配體在去複合過程中的轉化可能導致其分解為無機物質，或形成新的污染物。因此，深入研究這些轉化過程，對於設計高效的資源回收策略至關重要。此外，去複合後的處理步驟也需考慮，如沉降、過濾、離子交換等，以實現污染物的最終去除和資源的高效回收。

目前，HMCs去除技術的試點與全規模試驗已經取得一定進展。這些試驗不僅驗證了技術的可行性，還評估了其在實際應用中的經濟性和環境影響。然而，試驗結果顯示，許多技術在處理高濃度或複雜組成的廢水時仍存在挑戰。例如，某些氧化技術在處理含有多種配體的廢水時，可能導致配體的不完全分解，產生新的污染物。此外，膜技術在處理含有高濃度重金屬的廢水時，容易受到污染，降低其效率。因此，進一步優化這些技術，使其在實際應用中更具可行性，是未來研究的重要方向。

展望未來，開發下一代HMCs去除技術需要在提高去除效率和資源回收率的同時，減少二次污染的風險。這需要從多個方面進行創新，包括新型吸附劑的研發、高效膜材料的設計、以及低能耗的去複合技術。此外，還需考慮技術的集成與協同作用，例如將吸附與氧化技術結合，或將膜分離與離子交換技術整合，以提高整體處理效果。同時，應加強對HMCs協調化學的基礎研究，以更好地理解其穩定性與反應性，從而設計更有效的去除策略。

實現HMCs去除與資源回收的雙重目標，需要從系統層面出發，考慮廢水的來源、組成和處理條件。例如，針對不同工業廢水的特性，選擇合適的處理技術，或設計針對特定HMCs的專用處理方案。此外，還需探索可再生能源在處理過程中的應用，如利用太陽能或風能驅動的處理技術，以減少能源消耗。同時，應加強對處理後廢水的監測與管理，確保其符合環境排放標準，並促進資源的循環利用。

總體而言，HMCs的去除與資源回收是當前環境治理中的重要課題，需要跨學科的合作與創新。通過系統分析現有技術的優劣，並結合基礎研究與工程實踐，有望開發出更高效、經濟且環境友好的處理方案。這不僅有助於解決重金屬污染問題，還能促進資源的循環利用，推動可持續發展。未來的研究應著眼於技術的集成與優化，探索新的材料與方法，並加強對處理過程的控制與監測，以實現HMCs治理的全面突破。