[摘要] 第 1 章 绪论1 1 重金属和有机染料的危害及处理方法1 1 1
第 1 章 绪论
1.1 重金属和有机染料的危害及处理方法
1.1.1 重金属污染的危害
重金属的来源很广泛，在图 1.1 介绍了重金属污染的几种来源，其中包括冶炼过程[2]，通过燃料燃烧产生的废气[3]，由于泄漏、排放污水、丢弃垃圾引起的污染，以及来自陆地系统的地表径流，还有污水灌溉和垃圾淋溶而发生金属的累积等。另一方面，污染了的水体又通过许多途径而造成陆地生态系统的金属污染，例如通过灌溉、疏浚作业和生物体的运动等方式。虽然有些元素如铜、钴、锌等是人体和其它生物体所必需的微量元素，但是这些元素在人体和农产品生长过程中的适宜阈值范围却很窄。通常，小于最低阈值就会出现缺素症，从而影响机体的某些生理功能；但若大于最高阈值，就会对生物体产生某些毒害作用。近年来，重金属所引发的化学污染及环境问题得到了广泛的关注，重金属易于通过食物链的生物放大效应在生物体内积累[4]，其毒性亦随形态的不同而不尽相同，而且生物降解作用并不能消除重金属。重金属对水体和环境的污染也对农产品的健康生产造成了威胁，由于植物的遗传特性和生长特性的不同，不同的农作物对重金属离子的吸收和富集等特点也具有显着的差异性。植物对重金属的吸收和土壤中重金属的含量、理化性质、重金属在土壤中的赋存状态与植物的种类、生长的周期、大气环境质量、化肥、以及灌溉水等因素密切相关。而重金属元素在环境和生物体中迁移转化具有如下特点：
1. 排入水体中的重金属离子的浓度即便很低，但其毒性却长期地存在，而且水体中的某些重金属离子能与水中的微生物作用，从而可能转化为具有更强毒性的金属有机化合物，如无机的汞可在水体中通过与微生物的作用转化为具有很强毒性的有机汞。
2. 水体中即便只有微量的重金属离子，也可能引发毒性反应，在通常情况下，大多数的金属离子发生毒性作用的浓度范围在 1.0-10 mol/L 之间，而有些毒性较强的金属离子引发毒性反应的范围较低，例如汞、镉等的毒性范围为0.001-0.1 mol/L。日本曾经发生过轰动一时的水俣病（即汞污染引发的中毒）和骨痛病(即镉污染引发的的中毒)，主要是当地的居民长期饮用和食用了被汞和镉所污染的食物。近年来在我国的某些地方也出现了由于长期食用被重金属污染的食物所引发的疾病。
3. 生物会使重金属离子富集和浓缩，再通过食物链的传递作用进入到人体内，进而危害人类的健康。生物能够从环境中摄取重金属离子并在其自身的体内或某些器官中累积，其累积的倍数可能高达成千或是上万倍，水体中的很多动植物甚至是陆地上的农作物也会产生此效应，而后便会作为食物进入人体之内累积，累积到一定程度便会对人体产生毒害作用，从而严重地危害人类健康，水生生物对某些重金属富集的倍数通常很大，此种生物富集的特性也是重金属污染的一个突出特点。
4. 以目前研究的技术水平来看，现在还没有一种方法能够将重金属离子降解，而只能通过改变其化合价或是化合物的形态，而水体中存在的 OH-、SO42-、Cl-、NH4-、腐殖酸及一些有机酸等都能够与重金属发生反应生成螯合物或是络合物，进而使重金属离子在水体中的浓度增加，也可能使以沉淀形式存在的重金属又释放出来而转移。鉴于重金属离子上述污染及其危害的特点，人们认识到，要有效地减轻重金属对人体健康的危害，就必须避免或尽量地减少有毒重金属进入食物链的机会，同时应该严格的控制含有重金属废水的排放，且应采取有效的管控手段，以确保食品、饮用水的安全以及环境清洁。
1.1.2 有机染料污染的危害
我国早在 2000 多年前就已经使用天然的染料进行染色，但是在合成染料问世前，由于天然染料资源十分有限且价格昂贵，直至 1856 年英国化学家W.H.Perkin 合成了马尾紫染料，而后 Martius 成功地实现了偶氮染料的商品化，由此合成染料得到了迅速的发展。时至今日，有机合成染料已达千余种且世界染料总量也日趋扩大，合成染料的消耗总量每年已达 130 万吨。据染料的化学结构特点染料可分为偶氮染料、蒽醌染料、芳甲烷染料、靛类染料和硝基染料等类别，其中偶氮染料和蒽醌染料是重要的两大系。染料工业发展给人类带来了丰富多彩的生活和美丽动人的世界，但合成染料的毒害作用及对生态环境[5]所造成的威胁，也令人触目惊心。在 1895 年，在长期从事品红生产的工人身上发现了膀胱癌，这显示了染料对人健康的毒害。时至今日，全世界每年有超过 60 万吨的染料排放到环境中，其中 80%以上是偶氮染料，而这些合成的染料其自身就有毒性可能会诱发癌症[6,7]，诱导有机体突变，还会引起人体或动物的皮肤和呼吸器官过敏等。其中偶氮染料的致癌性早已被证实，只是其诱变性及致癌的机理仍在研究。研究结果表明：致癌的染料多为联苯胺和萘胺为母体衍生的偶氮类染料。
第 2 章 实验部分
2.1 油页岩及油页岩灰渣
2.1.1 原料的来源
实验过程中所用的油页岩及油页岩的灰渣取自于黑龙江省大庆，油页岩样品为块状的固体其表观呈现灰褐色，块状的尺寸在 5-30 厘米大小不等。以无机氯化铝盐溶液作为原料加入到一定量的乙醇溶剂中搅拌溶解，然后再加入一定量的凝胶网络诱导剂环氧丙烷，从而得到透明且稳定的氧化铝溶胶，然后再将凝胶通过多次的溶剂置换去除未反应的物质及反应过程之中所产生的副产物，最后将得到的凝胶产品在一定温度下干燥就可以得到块状的氧化铝气凝胶。以无机铝盐作为原料制备出的氧化铝气凝胶，具有原料廉价的优势，但性能还有待提高，此法是未来的发展趋势。原子吸收光谱(Atomic Absorption Spectroscopy，AAS)即原子吸收光谱法。其基本原理为：每一种元素的原子不仅可以发射一系列特征谱线，也可以吸收与发射波长相同的特征谱线。当光源发射的某一特征波长的光通过原子蒸汽时，即入射光的频率等于原子中的价电子由基态跃迁到较高能态（一般情况下都是第一激发态）所需要的能量频率时，原子中的外层电子将选择性的吸收其同种元素所发射的特征谱线，使入射光减弱。
第 3 章 油页岩灰渣合成 Na-A 沸石吸附材料 ......33
3.1 引言 .... 33
3.2 实验原理 ....... 34
3.3 油页岩及油页岩灰渣的特性分析........ 35
3.3.1 油页岩的矿物组成....... 35
3.3.2 油页岩及油页岩灰渣的化学组成 ........ 35
3.3.3 油页岩灰渣的灰熔点 .... 36
3.4 Na-A 沸石的制备.... 37
3.5 实验的结果与讨论 ..... 38
3.5.1 油页岩灰渣及制备的沸石产品..... 38
3.5.2 不同条件下制备沸石........ 39
3.5.3 油页岩灰渣及制备的沸石的微观结构 ..... 39
3.5.4 油页岩灰渣与沸石的吸附脱附曲线.... 41
3.6 本章小结 ...... 44
结论
油页岩作为石油的补充资源已经受到越来越多的关注，随着油页岩工业的迅猛发展，油页岩资源综合、有效地利用已成为油页岩产业可持续发展的关键。油页岩在炼油和发电过程中会产生固体废弃物—油页岩灰渣。油页岩灰渣中的无机化合物 Al2O3和 SiO2的含量超过了 60%，可以作为原料制备沸石分子筛，也可以作为新的铝源来制备氧化铝的气凝胶。本文以大庆油页岩灰渣为原料，根据灰渣的组成及特性提出了 Na-A 沸石的合成方法，同时也制备出了表面改性的氧化铝气凝胶，并研究了这些吸附材料的吸附性能，这为油页岩灰渣的综合利用提供了新的途径，具有重要的理论意义和潜在的经济利益。本文还合成了磁性壳聚糖复合材料，也对其吸附性能进行了研究。
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