Das Wunder der Wasserreinigung: Wohin gehen die Schwermetallionen im Wasser?

Das Wunder der Wasserreinigung: Wohin gehen die Schwermetallionen im Wasser?

Die Katzen der Stadt taumelten, als wären sie betrunken, und sprangen dann wie verrückt ins Meer, als wollten sie eine unsichtbare Flamme auf ihren Körpern löschen. Bald darauf begannen die Einwohner der Stadt undeutlich zu sprechen, taumelten beim Gehen auf der Straße und zeigten Demenz im Gesicht ... Es gab sogar psychisch kranke Einwohner, die nach und nach starben. Was ist mit dieser Stadt passiert ...

1. Minamata-Krankheit

Im Jahr 1953 wurde in der Stadt Minamata in der Präfektur Kumamoto in Japan eine seltsame Krankheit entdeckt. Diese Krankheit trat erstmals bei Katzen auf. Manche Katzen zeigten abnormales Verhalten, wie etwa seltsames Schreien, unsicheren Gang und Sprünge ins Meer, um Selbstmord zu begehen. Sie wurden deshalb als „Suizidkatzen“ bezeichnet. Anschließend begann diese Krankheit bei Menschen aufzutreten. In leichten Fällen traten Symptome wie undeutliche Sprache, unsicherer Gang, Gesichtsdemenz und Sehverlust auf. In schweren Fällen kam es zu Symptomen wie psychischen Störungen und sogar zum Tod. Damals hieß die Krankheit „Minamata-Krankheit“, da die Ursache unbekannt war.

Abbildung 1 Minamata-Krankheit

Die Minamata-Krankheit ist eine chronische Quecksilbervergiftung, die durch die langfristige Aufnahme von Wasserprodukten verursacht wird, die organisches Quecksilber enthalten. Sie schädigt das zentrale Nervensystem des Menschen und äußert sich in Symptomen wie Sinnesbeeinträchtigungen, Bewegungsstörungen, Muskelschwund, Seh- und Hörbeeinträchtigungen und kann in schweren Fällen zum Tod führen. Die Minamata-Krankheit betrifft nicht nur Erwachsene, sondern kann auch durch schwangere Frauen auf den Fötus übertragen werden und so zur angeborenen Minamata-Krankheit führen.

Woher kommt also das Quecksilber im Wasser?

2. Schwermetallionen im Wasser

Das New Nippon Cyano Soda Minamata-Werk leitete Abwasser mit großen Mengen Quecksilber ohne Behandlung direkt in die Bucht von Minamata ein. Das Quecksilber im Abwasser wurde durch Mikroorganismen im Sediment in das giftigere Methylquecksilber umgewandelt. Es gelangt durch Bioakkumulation in den Körper von Tieren oder Menschen und verursacht schwere Schäden am zentralen Nervensystem.

Zu den häufig vorkommenden giftigen Metallionen in Gewässern zählen neben Quecksilber auch Blei, Cadmium, Chrom, Arsen usw. Diese Elemente sind biologisch schwer abbaubar und reichern sich leicht an. Ab einer bestimmten Konzentration kann es toxische Auswirkungen auf Ökosysteme und Wasserprodukte haben und eine Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellen. Diese Art der Verschmutzung entsteht hauptsächlich durch Industrieabwässer, Mineralienabbau, Pestizideinsatz und Metallverhüttung und weist eine starke chemische Aktivität auf.

3. Schwermetallionen-Behandlungstechnologie im Wasser

Die Behandlung von Schwermetallionen im Wasser ist ein wichtiger Zweig der industriellen Abwasserbehandlung. Eine effiziente, wirtschaftliche und umweltfreundliche Wasseraufbereitungstechnologie ist für den Umweltschutz und die menschliche Gesundheit von großer Bedeutung. Den Forschungsergebnissen von Ma Linfeng und anderen Wissenschaftlern zufolge ist mit Na₂S modifizierte Biokohle in der Lage, Schwermetallionen im Wasser effizient zu adsorbieren und stellt somit eine sehr wirksame Methode zur Behandlung von mit Schwermetallen kontaminiertem Wasser dar.

1. Vorbereitungsprozess:

(1) Rohstoffaufbereitung: Zunächst wird Biokohle benötigt. Biokohle ist ein kohlenstoffreiches Material, das durch Hochtemperaturpyrolyse von Biomasse (wie Pflanzenstroh, Holz usw.) in einer sauerstoffarmen Umgebung hergestellt wird. Es verfügt über eine reiche Porenstruktur und eine große spezifische Oberfläche, wie eine „mikroskopische Wohnung“ mit vielen kleinen Räumen, die Platz für die Adsorption von Schwermetallionen bieten.

Abbildung 2 Biokohle

(2) Modifikatorzugabe: Anschließend wird der Biokohle Na₂S zugesetzt. Na₂S unterliegt in Wasser einer Hydrolyse, wobei S²⁻-Ionen entstehen. Diese S²⁻-Ionen sind wie „kleine Haken“, die Schwermetallionen fest binden können.

(3) Mischen und Reaktion: Mischen Sie die Na₂S-haltige Lösung gründlich mit der Biokohle, damit sich das Na₂S gleichmäßig auf der Oberfläche und in den Poren der Biokohle verteilen kann. Unter bestimmten Bedingungen (wie etwa geeigneter Temperatur, Reaktionszeit usw.) interagiert Na₂S mit Biokohle und verändert die Biokohle. Nach der Modifizierung haben sich die chemischen Oberflächeneigenschaften und die Struktur der Biokohle verändert, sodass sie die Adsorption von Schwermetallionen begünstigt.

2. Adsorptionsmechanismus:

(1) Ionenaustausch: Biokohle selbst enthält einige Kationen, wie Kaliumionen (K⁺), Natriumionen (Na⁺) usw. Wenn eine Lösung, die Schwermetallionen enthält, mit Na₂S-modifizierter Biokohle in Kontakt kommt, werden die Schwermetallionen gegen diese Kationen auf der Biokohleoberfläche ausgetauscht. Wie in einer „Ionenaustauschstation“ ersetzen Schwermetallionen die ursprünglichen Kationen und werden an die Biokohle adsorbiert.

(2) Chemische Fällung: Die durch die Hydrolyse von Na₂S entstehenden S²⁻-Ionen haben eine starke Affinität zu Schwermetallionen und verbinden sich zu unlöslichen Sulfidniederschlägen. Diese Niederschläge haften an der Oberfläche und den Poren der Biokohle und bewirken so die Adsorption von Schwermetallionen. Beispielsweise können auf diese Weise Kupferionen (Cu²⁺), Quecksilberionen (Hg²⁺) usw. adsorbiert werden.

(3) Oberflächenkomplexierung: Die Oberfläche der modifizierten Biokohle weist zahlreiche funktionelle Gruppen auf, wie beispielsweise Hydroxyl (-OH) und Carboxyl (-COOH). Diese funktionellen Gruppen können mit Schwermetallionen reagieren und stabile Komplexe bilden. Es ist, als würden „chemische Bindungen“ verwendet, um Schwermetallionen fest auf Biokohle zu fixieren und so die Stabilität der Adsorption zu verbessern.

(4) Physikalische Adsorption: Die Porenstruktur der Biokohle bietet eine große spezifische Oberfläche, wodurch Schwermetallionen durch physikalische Adsorption an der Oberfläche der Biokohle haften bleiben können. Diese Adsorptionsmethode beruht hauptsächlich auf der Anziehung zwischen Molekülen. Obwohl es relativ schwach ist, trägt es auch zum Gesamtadsorptionseffekt bei.

Mit Na₂S modifizierte Biokohle kann durch den synergistischen Effekt der oben genannten mehrfachen Adsorptionsmechanismen Schwermetallionen im Wasser effizient adsorbieren. Dieses Verfahren bietet die Vorteile einer einfachen Handhabung, geringer Kosten und einer guten Adsorptionswirkung und bietet breite Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Umweltschutz und Gewässerschutz.