不同CaCO3對水中磷元素作用的研究

張治華 曾慶浩 梁楠 李君

摘要：磷元素作為水體富營養化的主控因素而受到了廣泛關注。而碳酸鈣作為自然界中重要的一種無機材料，具有低成本，易制取等優點，預計用作水處理環境材料時，可降低水體中的磷酸鹽濃度。本文以過氯化鈣和碳酸鈉，碳酸鈣和尿素，尿素和氯化鈣三種方法制備的碳酸鈣為原料。利用傅里葉紅外光譜（FT-IR），掃描電子顯微鏡（SEM）對碳酸鈣進行表征，分析了碳酸鈣的形貌，物相等性質。考察了碳酸鈣對模擬含磷水的處理效果。

關鍵詞：碳酸鈣;形貌;磷;晶型

研究表明，磷元素是同氮元素一樣引起水體富營養化的主控因子。在地表淡水系統中，正常情況下磷元素是有限的，是植物生長的限制因素，一旦磷元素過量就容易導致藻類植物的過度生長，在湖泊、河流等淡水中形成水華。水體發生富營養化之后，當大量藻類植物死亡之后，導致了大量的富營養因子重新進入水體中，供新一代的藻類植物使用。因此，發生富營養化的水環境，往往在切斷外來營養物質之后，也很難通過水體自身的凈化能力恢復到正常的狀態[1]。水體富營養化的指標很難確定，這是由于藻類植物的生長受到很多方面的影響，是一種多因素的過程，很難預測藻類植物生長的趨勢[2]。

隨著科技的迅速發展，無機功能材料的運用受到各個領域的普遍關注。由于碳酸鈣具有成本低、無毒無味、性能優異等特點，被廣泛應用于造紙、涂料、橡膠、塑料、油墨、化妝品、醫藥等眾多行業。碳酸鈣作為一種功能性的化工原料，其功能應用性能的好壞，主要取決于形貌、粒度、分散性等，其中顆粒的晶型和粒度大小對碳酸鈣的功能和應用領域有決定性作用。碳酸鈣顆粒的晶型不同，應用領域和功能也大不相同。不同行業對碳酸鈣的晶型有不同的要求，比如：油墨生產行業需要立方形或球形;橡膠行業需要使用針形或鏈狀碳酸鈣;電子、陶瓷行業需要高純、微細、球形碳酸鈣;造紙行業需要紡錘狀、片狀的碳酸鈣。因而，開發研究不同形貌和粒度的碳酸鈣產品，并應用于各行各業，已成為了各國研究的重點。

鈣元素僅次于氧、硅、鋁、鐵，居第五位的元素，其化學性質比較活潑，因此多以離子狀態或化合物形式存在。自然界中的鈣，多以碳酸鈣的形式存在，少數為離子狀態。尿素作為一種最簡單的有機化合物，是哺乳動物和某些魚類體內蛋白質代謝分解的主要含氮終產物，其在地球環境中可痕量存在。當環境中的游離鈣離子，遇到游離的碳酸根離子，生成碳酸鈣而被固定下來。或與痕量尿素相遇，在一定的條件下（高溫高壓），尿素作為碳源可以生成碳酸鈣而被固定下來。此外，當碳酸鈣遇到尿素后，一定條件下，尿素水解生成的碳酸根離子可以打破碳酸鈣的溶解平衡，使碳酸鈣發生變化。

因此，根據地球環境中生成的碳酸鈣的原理，用于人工合成碳酸鈣，并將其用于處理含磷水的研究顯得尤為重要。

1.處理模擬含磷廢水

1.1紅外光譜表征分析

TP 濃度為 5 mg/L，加入 0.5 g 制得的碳酸鈣粉末，水浴震蕩兩小時后，過濾干燥后發現碳酸鈣的質量由 0.5 g 變為 0.4 g，處理前溶液的 pH 為 2.5，處理后溶液的 pH 為 7 左右。

處理后測量吸光度，并將吸光度值代入 TP 標準曲線中，代入擬合曲線求出處理后的濃度見表 1-1。

對磷酸二氫鉀溶液的處理后，測量每個錐形瓶中碳酸鈣的處理率及處理負荷，如圖如圖3-所示。由圖得出碳酸鈣處理效果較好的為序號 1，序號 6，序號 7。其處理率分別為 71.14%，73.86%，69.93%，處理負荷分別為 0.88919 mg/g，0.92327 mg/g ，0.8741 mg/g。3，4，5 號處理效率基本不發生變化，可初步判斷其未發生顯著變化。6，7，8，9，10 號樣品處理效率呈無規律變化，表明其在微觀層面上有著較大的差異。

1.2SEM 表征分析

（1）碳酸鈉和氯化鈣制得碳酸鈣系列

結合圖 3-9 中，不同放大倍數的 SEM 照片，可以得出具體表現為粒徑為30～100 nm 左右的不規則球形實心顆粒進行堆積，生長且形成了粒徑約為 3～5 μm 的大球體空心顆粒，大顆粒或單獨存在，或幾個聚在一起形成不規則的球體，表面粗糙，有較多的縫隙;此外在立方體狀的碳酸鈣顆粒表面有納米級的小顆粒附著。

（2）處理磷酸鹽較好的碳酸鈣

處理效果較好的為 1，6，7 號樣品。由圖 3-9 和圖 3-10 可知，其表面粗糙的大顆粒呈現無規則的雜亂堆積，空隙較多。由圖 3-14 中的左圖可知，6 號樣品中存在著大量其他形貌的碳酸鈣。六邊形狀表面粗糙的片狀碳酸鈣顆粒及介于紡錘和針狀顆粒之間，表面溝壑縱橫的碳酸鈣雜亂堆積，造成空隙較多。由圖 3-14 中的右圖可知，7 號樣品中的碳酸鈣存在著很多介于紡錘和針狀之間，表面粗糙的大顆粒，且不同的顆粒呈現雜亂堆積的狀態，處理效果較好。

參考文獻：

[1]彭少麟. 熱帶亞熱帶恢復生態學研究與實踐[M]. 北京：科學出版社， 2003.

[2]余作岳. 熱帶亞熱帶退化生態系統植被恢復生態學研究[M].廣州： 廣東科技出版社， 1996.