伊拉克液体流中重金属去除的吸附技术批判性综述：机理、计算与政策视角

《RSC Advances》：Critical review of adsorption technologies for heavy metal removal: mechanistic, computational, and policy perspectivesOpen Access

　　

摘要专业翻译 地下水重金属污染的主要来源包括炼油厂排放、农业径流、医院废水以及战争造成的环境损害。吸附剂的进展为污染物去除提供了安全、高效且经济的技术手段。本研究对全球范围内（尤其是伊拉克）的吸附应用进行了批判性综述，评估了所选吸附剂的有效性、大规模适用性及长期可持续性。此外，研究聚焦于吸附机理、合适吸附剂的筛选标准、工艺设计以及先进计算方法，如机器学习算法（Machine Learning, ML）和分子动力学模拟（Molecular Dynamics, MD）。在最优批次条件下，稻壳制备的生物炭对Pb2+的去除率超过90%，而来自萨迈拉的沸石对Cr6+和Cd2+的去除率超过92%。所有机器学习模型对吸附性能的预测准确率均超过95%。此外，分子动力学模拟在原子尺度上提供了更深入的见解。本研究解决了三个主要问题：幼发拉底河的高盐度（范围为1000至3000 mg L?1）；污水排放导致的有机污染；以及现有基础设施的限制。鉴于上述条件，研究建议使用先进的计算优化模型与移动处理单元（Mobile Treatment Units, MTUs）相结合，以提供因地制宜的解决方案。研究进一步强调了中试规模测试及将其纳入政策框架的重要性。这有助于缩小伊拉克在可持续发展目标6（Sustainable Development Goal 6, SDG 6）——清洁饮用水和卫生设施方面的差距，同时支持环境可持续性。

论文主体内容学术总结

1. 引言

重金属因其持久性、生物累积潜力和毒性，对水生环境构成严重污染威胁。其中铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）、镍（Ni）和砷（As）是最受关注的主要污染物。工业废水、农业径流、采矿活动以及管理不善的城市排放是造成污染的主要原因。在众多水处理方法中，吸附法工艺简单、处理高效且具有多功能性，在高能耗的膜过滤和电化学处理（包括反渗透）无法竞争的领域具有优势。吸附被描述为分子附着或粘附到吸附剂固体表面的过程。多种作用力主导吸附过程，包括范德华力、疏水力、极性、尺寸排阻、动力学分离、空间相互作用以及偶极诱导偶极相互作用。近期全球研究推荐可持续且高效的吸附剂，如生物炭、纳米材料、农业废弃物、黏土和沸石，以及氧化石墨烯和金属有机框架（Metal–Organic Frameworks, MOFs）等新兴材料，其对Pb、Cd、Cr的去除效率可达85%–95%，且具有环境兼容性。伊拉克的石油炼油厂、医院排放、农业活动和战争相关活动是重金属污染的主要直接原因，已导致底格里斯河和幼发拉底河等清洁水源以及杜霍克和谢汉等地区地下水受到污染。战争期间基础设施的破坏和化学品泄漏，特别是在摩苏尔地区，导致Pb、Cd和Cr浓度超过世界卫生组织（WHO）标准。然而，伊拉克仅有约30%的人口接入卫生下水道系统，污水处理基础设施严重不足，极大阻碍了修复工作并造成沉重经济负担。该国拥有丰富的稻壳和椰枣废弃物，包括萨迈拉沸石，有利于合成环保、低成本且具有高水净化潜力的吸附剂。

2. 文献检索方法

为识别重金属吸附相关研究，研究团队进行了系统性文献检索，重点关注可持续的本地可用吸附剂、生物炭应用和计算工具。检索覆盖2018年至2025年间发表的论文，数据库包括Wiley Online Library、Springer Link、Scopus、Web of Science和Google Scholar。检索策略结合了主要检索词与相关关键词，使用布尔运算符。主要检索词包括：地下水修复、生物炭、计算工具、可持续吸附剂、吸附技术和重金属污染。仅纳入以英文发表的同行评审文章。通过关键论文的向后和向前引文检索识别相关研究。最终文献检索于2026年6月完成。

3. 伊拉克液体流中的重金属污染

伊拉克水源（包括底格里斯河和幼发拉底河、地下水及工业废水）中的重金属污染构成严重的环境和公共卫生危机，由人为活动和战争相关活动共同驱动。铅、镉、铬、镍、砷和汞等关键污染物超过WHO指导值，对生态系统、农业生产力和人类健康构成威胁。伊拉克面临独特的社会环境状况：高盐度、战争损毁的设施和不足的污水处理系统相互叠加，加剧了现有污染问题。

3.1 重金属污染来源

伊拉克水系统中的重金属污染来源多样。巴格达Al-Dora和巴士拉炼油厂的工业废弃物向底格里斯河和幼发拉底河排放Pb、Cd、Cr和Hg，这些废水有机物含量高且盐度高，增加了处理难度。杜霍克和Al-Hizamat等地区的农业径流引入了高浓度的Cd、As和Ni，影响地下水和灌溉水质。巴格达和巴士拉的医院及医疗中心废水向底格里斯河和当地地下水排放大量未经处理或部分处理的Pb、Cd和Hg。摩苏尔地区的战争相关污染因化学品泄漏和基础设施损毁，使Cr、Pb和Cd浓度升高。此外，巴格达和巴士拉等城市的污水处理不足，使电池和油漆等市政来源的Ni和As进入水体。

3.2 区域差异

伊拉克重金属污染存在显著区域差异。流经巴格达和摩苏尔的底格里斯河受到医院废弃物、城市径流和战争碎片污染。巴格达Pb浓度在20–100 μg L^?1之间，Cd浓度在5–30 μg L^?1之间，略高于WHO允许限值。摩苏尔因战争相关化学品泄漏和基础设施损坏，Cr浓度升至50–200 μg L^?1，Pb浓度为50–150 μg L^?1。此外，巴士拉的幼发拉底河受到炼油厂废弃物和农业废弃物的严重污染，盐度高达1000–3000 mg L^?1，降低了任何修复技术的效率。地下水主要受农业和工业废弃物威胁。杜霍克和谢汉地区因大量使用化肥和农药，井水中Cd浓度为10–30 μg L^?1，Ni浓度为20–50 μg L^?1。

3.3 社会经济与环境影响

伊拉克液体流中的重金属污染对社会经济和环境产生直接影响，加剧了水资源短缺、粮食不安全和经济负担。巴士拉和Al-Hizamat地区使用受污染水灌溉导致农业生产力降低10%–20%。仅30%人口接入下水道网络，加上重金属污染，加剧了水资源压力和生物多样性丧失。此外，城市地区因金属相关疾病使医疗费用增加约5%–10%。农业生态系统是受影响最严重的部门之一，遭受了巨大的环境和生产力损失。

3.4 健康风险

通过受污染的水和食物链摄入重金属可能对伊拉克居民健康产生不利影响，导致神经系统疾病、肾毒性和致癌等疾病。巴格达饮用水中的重金属水平在20–100 μg L^?1范围内，可能导致儿童发育问题。杜霍克和谢汉的地下水含有Cd和As，构成肾功能障碍和癌症的高风险。摩苏尔存在Cr污染，战争化学废弃物导致呼吸系统疾病和皮肤病。

3.5 对吸附技术的影响

伊拉克水资源因高盐度、高有机物浓度和多种重金属污染物并存，在重金属去除方面面临特殊挑战。巴士拉水资源因海水入侵和淡水流入减少而受到高盐度（1000–3000 mg L^?1）污染，而巴格达的医院和市政废水携带大量有机负荷，可能导致吸附剂污染和吸附效率降低。为应对这些挑战，研究聚焦于使用本地可用吸附剂。农业副产品、稻壳生物炭、椰枣生物炭和天然萨迈拉沸石被选为本研究对象。分散式处理系统，包括移动处理单元（MTUs），可在常规处理设施损毁或缺失的情况下提供实用解决方案。

4. 吸附机理与技术

吸附法可高效、低成本地去除伊拉克受污染液体流中的重金属（如Pb、Cd、Cr、As），工艺简单且具有多功能性。

4.1 吸附机理

控制伊拉克废水处理中重金属去除的三种主要机理包括化学吸附、物理吸附和离子交换。化学吸附涉及金属离子（如Pb²⁺、Cd²⁺）与吸附剂（如生物炭或黏土）表面官能团（–OH或–COOH）之间的强化学键，具有高选择性和不可逆性。使用稻壳生物炭处理底格里斯河实际水样时，在pH 5–6条件下对Pb的去除率超过90%。物理吸附依靠范德华力，适用于高比表面积的吸附剂（如活性炭或纳米材料），但在富含有机物的废水中结合强度较低。离子交换过程中，黏土或沸石位点上的阳离子（通常为Na⁺）被Pb²⁺等金属离子交换。吸附行为通常符合准二级动力学模型和Langmuir及Freundlich等温线，最佳性能条件为pH 5–6、温度25–30 °C。伊拉克废水的高盐度会降低吸附性能，因此必须进行针对性优化。

4.2 吸附剂材料

生物炭通过生物质热解制备，对Pb的吸附容量为100–200 mg g^?1，主要归因于其多孔结构和官能团。椰枣生物炭适用于巴士拉炼油厂废水处理。纳米材料如磁性纳米颗粒（Fe₃O₄）对Pb的吸附容量为150–200 mg g^?1，动力学快，但合成成本高且存在环境风险。农业废弃物如稻壳和石榴皮对Pb和Cd的吸附容量为70–120 mg g^?1。化学改性膨润土对Cd和As的吸附容量为60–90 mg g^?1。萨迈拉沸石对Pb的吸附容量为80–110 mg g^?1，对重金属离子表现出优异亲和力。

4.2.1 有前景吸附剂的详细理化性质

吸附材料的性能主要由其理化性质决定，包括比表面积、孔隙结构、表面官能团、零电荷点和元素组成。稻壳生物炭的比表面积（BET）为149 m² g^?1，化学活化后可增至300–500 m² g^?1，总孔体积约0.236 cm³ g^?1，其中约23%为微孔、77%为中孔，富含SiO₂，零电荷点（pH_PZC）为9.6。椰枣生物炭在中等热解条件下比表面积为65 m² g^?1，600 °C或活化后可达200–250 m² g^?1以上，富含C、O、K、Ca、Mg，具有O–H、C=O、C–O和芳香族C=C等官能团。萨迈拉天然沸石的比表面积为10–80 m² g^?1，主要为微孔结构，具有均匀通道，为铝硅酸盐框架，含可交换阳离子（Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺）。

4.3 新兴吸附剂

近期材料进展包括氧化石墨烯、金属有机框架（MOFs）和仿生复合结构。氧化石墨烯对Pb的吸附容量为200–300 mg g^?1，但高成本限制了其在伊拉克等资源受限地区的实际应用。MOFs在含多种金属的系统中表现出强选择性，已确认适用于处理实际炼油厂废水。壳聚糖基复合吸附剂受生物系统启发，提供可持续替代方案。这些材料需要在伊拉克复杂条件下进行实验规模的进一步测试。

4.4 主要吸附剂类型、性能及应用总结

农业废弃物（如香蕉皮）来源广泛、成本低、可持续，活化后具有高比表面积，可去除铅、镉及多种重金属。伊拉克凹凸棒石黏土天然储量丰富、环保低成本，对铯-137等特定放射性同位素和多种金属离子有效。纳米活性炭具有增强的比表面积、高吸附容量和可定制性，可去除铅、镉、铬、镍、铜。MOFs具有高孔隙率、可调化学性质、选择性吸附和高容量。纳米零价铁（nZVI）反应活性高，通过还原和吸附快速去除铬（VI）、铅和砷。生物聚合物基吸附剂（如壳聚糖、海藻酸盐）可生物降解、环境友好、再生性能好。混合和复合材料（如生物炭+磁铁矿）具有协同效应、增强选择性和更易分离的特点。

4.5 工艺设计与优化

吸附效率与批次和固定床系统之间的工艺设计以及操作参数优化相关。批次系统仅适用于实验室规模研究，而固定床吸附系统可在伊拉克污水处理厂中放大应用。动力学研究（准二级模型）和热力学分析（吉布斯自由能）可确定过程自发性，Pb和Cd在生物炭上的吸附过程为放热反应。优化特定参数，包括pH（5–6）、温度（25–30 °C）和流速，可提高高盐度条件下的处理效率。

4.6 混合反应器设计

将吸附与过滤或光催化相结合的混合系统在复杂基质中已被证明有效。例如，吸附-膜系统提高了炼油厂废水中Pb和Cr的去除率。此类系统应针对伊拉克高盐度和富含有机物的废水进一步开发。

4.7 伊拉克特定应用

伊拉克可获得的最有效且可持续的本地吸附剂包括稻壳生物炭、椰枣生物炭和萨迈拉天然沸石。稻壳生物炭对Pb的吸附容量为90–120 mg g^?1，去除效率高。椰枣生物炭对Pb的吸附容量为100–150 mg g^?1，适用于炼油厂废水。萨迈拉沸石对Pb的吸附容量为80–110 mg g^?1，有助于解决摩苏尔等地区的污染问题。这些废水基质盐度高且存在有机污染，结果强调了适当的预处理（如混凝-絮凝或脱盐）对提高当地条件下吸附容量的必要性。

4.7.1 本地吸附剂在伊拉克废水条件下的实际适用性

伊拉克地表水和地下水面临高有机负荷、高盐度以及农业、工业和市政来源污染的威胁。高盐浓度通过竞争离子和改变吸附剂表面电荷降低吸附效率。高有机物含量导致有机污染，使去除效率随时间下降。基础设施挑战包括电力供应不稳定、先进再生系统获取受限以及对低维护技术的需求。然而，许多本地可用吸附剂在实际废水条件下表现有效。稻壳生物炭成功去除了底格里斯河水样中的铅，椰枣生物炭对巴士拉炼油厂废水处理表现出极高有效性。萨迈拉天然沸石在实际河水测试中显著降低了重金属浓度。通过ZnO改性椰枣废弃物生物炭或通过酸/热处理活化沸石，可增强对有机污染的抵抗力并提高吸附剂再利用能力。在伊拉克条件下，通常需要混凝、絮凝或部分脱盐等处理步骤以实现最高吸附效率。

4.7.2 经济方面

经济可行性是选择废水处理吸附剂的主要标准之一，在伊拉克等资源有限的发展中国家尤为重要。稻壳生物炭和椰枣生物炭因属于农业废弃物而被归类为廉价吸附剂。萨迈拉天然沸石在获取和加工方面均为低成本选择，可作为昂贵的进口吸附剂（如活性炭或氧化石墨烯）的实用替代品。除材料成本外，吸附剂的再生和再利用能力也是影响经济可行性的关键因素。