水中的重金属：来源、影响及检测方法
水中的重金属：来源、影响及检测方法
水中的重金属对人类健康和环境构成重大风险。了解它们的影响和处理方法对于确保安全清洁的供水至关重要。本文探讨了水中常见重金属的来源、影响、检测方法和有效的去除策略。
什么是重金属
重金属是一组密度相对较高的金属和类金属，因此被称为 "重金属"。最常见的金属有铅、汞、锡和银，它们有多种用途。由于重金属占主导地位，在各种水生环境中以及最终在依赖这些水资源的生物体内发现重金属是很常见的。这些金属中有许多是人类和植物所必需的，但大剂量使用会产生毒性。
水中重金属的来源
水资源中的重金属污染既可能来自自然来源，也可能来自人为来源（人类造成的）。下文将重点介绍一些常见的污染源。
工业排放
- 采矿:采矿活动可能向附近水体释放重金属，如汞、铅和砷。
- 金属加工和制造:金属提炼、电镀和电池制造通常会向水源排放镉、铬和镍等金属。
- 纺织和制革业:这些工业在染料和化学品中使用铬和铅等重金属，从而导致污染。
- 电子废物回收:电子废物回收不当会导致铅和汞等重金属进入水源。
农业径流
- 化肥和杀虫剂:许多农用化学品含有砷和镉等重金属。在降雨或灌溉过程中，这些金属会渗入土壤，在土壤中积聚，最终渗入水体。
- 动物粪便:牲畜饲料通常含有锌和铅等重金属，这些重金属可通过经粪肥处理的田地径流进入水源。
图片来自美国国家生物信息局
城市径流
- 道路径流:汽车通过轮胎磨损（锌和镉）和制动衬片磨损（铜和锑）造成重金属污染。
- 暴雨:城市地区的雨水会携带建筑物、街道和建筑工地的金属，从而造成重金属污染。
废物处理
- 垃圾填埋场:管理不当的垃圾填埋场产生的沥滤液会将重金属带入地下水和地表水中。
- 焚化:废物焚烧排放的废气会通过大气沉降将重金属沉积到水体中。
- 家用产品:一些家用产品，如油漆、电池和化妆品，含有重金属，可通过以下途径进入水源废水系统
天然来源
- 岩石风化:含金属岩石的自然风化会向水体释放砷和铬等重金属。
- 火山活动:火山会将重金属释放到环境中，进入水系统。
水中重金属的影响
有几种重金属世界卫生组织化学品清单主要公共卫生问题。其中包括自来水中常见的铅、镉、汞和砷。
领导
世卫组织指出允许极限0.01 毫克/升（ppm）。接触铅超过这个限度会导致认知障碍、学习障碍和行为问题，尤其是儿童。对人体健康造成的其他后果包括高血压和心脏病，而长期接触铅会导致肾功能障碍。铅还会在土壤和水体中积累，对植物和鱼类的生长产生不利影响。
自来水铅污染
汞
汞含量超过 0.001 毫克/升（ppm）的允许限度会对胎儿和幼儿造成严重的神经损伤和发育迟缓。此外，接触汞还会削弱免疫系统，导致肾功能受损或最终衰竭。在野生动物体内，高浓度的汞会破坏繁殖和行为模式。
镉
长期接触超过 0.05 毫克/升（ppm）的镉会损害肾脏，导致骨骼脱钙，从而增加骨折的风险。镉还是一种与肺癌和前列腺癌有关的致癌物质。与其他重金属一样，镉也会污染土壤和水，对植物和水生生物造成不利影响。
砷
砷含量高于 0.01 毫克/升（ppm）会导致皮肤病变和色素沉着。它还会增加患心脏病的风险，是一种已知的致癌物质，与皮肤癌、肺癌、膀胱癌和肝癌有关。土壤和地下水中的高砷含量会抑制植物生长和农业生产力。
铬
铬天然存在于许多食物中，在糖和脂肪的新陈代谢中起着至关重要的作用。缺乏铬会导致胰岛素抵抗，从而引发糖尿病和心脏病。然而，吸入超过 0.003 毫克/升（ppm）的过量铬会导致肺部炎症、哮喘甚至肺癌。此外，直接接触还会导致皮肤溃疡和皮炎。
去除水中重金属的方法
方法 | 过程 | 优势 | 缺点 |
|---|---|---|---|
化学沉淀 | 添加化学品形成不溶性化合物。 | 针对难以去除的重金属，具有极高的去除选择性 | 产生污泥以及处置问题。此外，成本高、能耗大。 |
离子交换 | 使用树脂交换重金属离子。 | 高效、选择性去除。 | 需要定期再生和昂贵的树脂。 |
吸附 | 在活性炭等材料上吸附金属。 | 对低浓度有效，成本低。 | 过程缓慢，更换/再生吸附剂成本高昂。 |
膜过滤 | 使用半渗透膜，例如反渗透膜。 | 去除效率高，可生产出完全脱盐的优质水。 | 频繁更换膜，费用高昂。 |
电化学处理 | 使用电流进行凝固或电镀。 | 对多种污染物有效。 | 能耗高，操作复杂。 |
生物修复 | 利用植物或微生物吸收金属并使其解毒。 | 环保。 | 过程缓慢，效果不一。 |
混凝和絮凝 | 在聚合颗粒中添加混凝剂。 | 成本效益高，应用广泛。 | 化学污泥的生产和处置问题 |
植物修复 | 利用高积累植物。 | 环保、低成本。 | 过程缓慢，仅限于适合植物生长的区域。 |
高级氧化工艺 | 产生氧化金属的活性物质。 | 对多种污染物有效，完全矿化。 | 成本高，需要处理氧化性化学品。 |
如何检测水中的重金属
方法 | 原则 | 优势 | 缺点 |
|---|---|---|---|
原子吸收光谱（AAS） | 测量金属原子对光的吸收。 | 灵敏度和准确度都很高。 | 设备非常昂贵，还需要熟练的操作人员。 |
电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS） | 离子化样品，并根据质量电荷比检测离子。 | 灵敏度极高，可检测多种金属。 | 设备成本高，还需要熟练的操作人员。 |
电感耦合等离子体光学发射光谱（ICP-OES） | 测量激发原子发出的光。 | 高灵敏度、相对低成本的设备。 | 需要昂贵的设备和熟练的操作人员。 |
X 射线荧光 (XRF) | 测量激发原子发出的二次 X 射线。 | 非破坏性、快速、现场使用。 | 灵敏度有限，受其他元素干扰。 |
电化学方法 | 测量电流对外加电位的响应。 | 灵敏度高，设备成本相对较低。 | 需要校准，有潜在干扰。 |
比色法 | 测量试剂-金属反应的颜色变化。 | 简单、低成本，可在野外使用。 | 灵敏度和特异性有限，可能存在干扰。 |
使用 ANDalyze 测试重金属
AlpHa Measurement Solutions 提供的 ANDalyze 手持荧光计是一种专有的催化 DNA 传感器，能够对重金属进行实时分析。此外，ANDalyze 利用尖端的 DNA 酶技术提供快速、可靠的结果，无需丰富的化学知识或处理危险材料。该产品的主要特点包括：
- 快速检测:ANDalyze 荧光仪可在一分钟内提供定量结果，确保及时高效地进行水质分析。
- 多功能性:它可测量多种重金属，包括铅、铜、铀、汞、镉和锌。因此，它适用于饮用水、废水、地表水、食品安全和采矿应用。如下表所示，它还涵盖了多种参数。
传感器 | 检测范围 | 准确性 | 颜色 |
|---|---|---|---|
铅 | 2 - 100 ppb | 15% 或 2 ppb 中的较大值 | 绿色 |
铀 | 2 - 60 ppb | 15% 或 2 ppb 中的较大值 | 橙色 |
铜 | 0.1 - 2 ppm | 15% 或百万分之 0.05 的较大值 | 蓝色 |
汞 | 2 ppb 时合格/不合格（最高 50 ppb） | 不适用 | 银色 |
锌 | 百万分之 1 - 15 | 20% 或百万分之 1 的较大值 | 白色 |
镉 | 0.1 - 1 ppm | 15% 或百万分之 0.1 的较大值 | 黄色 |
- 易用性:该设备设计简单，无需特殊技能或化学知识，因此可最大限度地降低培训和运行成本。
- 便携性:手持式设计便于现场测试，在各种现场条件下都能灵活方便地使用。
- 美国环保署认证:该技术通过了美国环境保护局（EPA）的验证，因此可确保可靠性和符合法规要求。
AlpHa 的 ANDalyze 传感器