貝殼粉吸附水中重金屬研究進(jìn)展

(大連民族大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 遼寧·大連 116600)

0 前言

相比于傳統(tǒng)吸附技術(shù)，生物質(zhì)吸附法具有低成本、對(duì)低濃度重金屬離子去除高效率、易操作以及無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于水體重金屬的治理。貝殼粉作為生物質(zhì)材料之一，因其疏松多孔，完全可以作為重金屬吸附劑。目前，利用貝殼粉去除水中重金屬污染已經(jīng)引起各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注。

傳統(tǒng)的水中重金屬治理技術(shù)主要包括：化學(xué)沉淀法、離子交換法、氧化還原法、反滲透法、電滲析法以及超濾法。然而，這些方法自身存在高能耗、大規(guī)模應(yīng)用時(shí)高成本、處理低濃度重金屬?gòu)U水低效率以及易產(chǎn)生二次污染等問題。因此，探究高效低成本重金屬?gòu)U水處理技術(shù)成為了國(guó)內(nèi)外廢水治理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

相比于傳統(tǒng)吸附技術(shù)，生物質(zhì)吸附法具有低成本、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于水體重金屬的治理。貝殼粉作為生物質(zhì)材料之一，因其疏松多孔且比表面積大，完全可以作為重金屬吸附劑。世界貝類產(chǎn)量豐富，而廢棄貝殼則可能造成嚴(yán)重的污染。因此，將這些貝殼制備成貝殼粉吸附劑，既可治理水體中重金屬污染，又能解決貝殼胡亂堆砌造成的污染問題。目前，利用貝殼粉去除水中重金屬污染已經(jīng)引起各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注。

1 貝殼粉的制備

貝殼粉制備的手段主要是破碎和煅燒。制備過程僅破碎未煅燒被稱為天然貝殼粉（Raw），破碎后又煅燒的被稱為煅燒貝殼粉（Calcined）。貝殼粉經(jīng)高溫煅燒后，仔細(xì)觀察可見表面出現(xiàn)微納米級(jí)的均勻孔徑，且存在大量孔穴，表明經(jīng)煅燒后的貝殼粉具有優(yōu)良的吸附能力。貝殼的主要成分是CaCO3，當(dāng)燃燒溫度達(dá)到900℃時(shí)CaCO3完全轉(zhuǎn)化為CaO。眾所周知，CaO的溶解性顯著高于CaCO3，此時(shí)物質(zhì)表面Zeta電位為負(fù)，可吸附陽(yáng)離子重金屬，且pH越高吸附效果越好。Natalia等人研究結(jié)果表明，經(jīng)過高溫煅燒的貽貝殼對(duì)Hg2+具有更好的吸附效果。

2 去除機(jī)理

研究表明，重金屬離子的吸附效率與吸附劑比表面積顯著相關(guān)。貝殼粉煅燒后比表面積大幅提高，能夠提供大量的吸附位點(diǎn)。Darioush等對(duì)不同溫度下燒結(jié)的牡蠣殼粉粒徑及比表面積進(jìn)行了分析，隨著燒結(jié)溫度增大，顆粒粒徑逐漸減小而比表面積則不斷增加。此外，對(duì)比煅燒前后貝殼粉SEM結(jié)果也證明了吸附劑比表面積增加以及多孔結(jié)構(gòu)的存在。當(dāng)被吸附的重金屬離子半徑與Ca2+接近時(shí)，二者可發(fā)生交換，重金屬離子以無機(jī)鹽的形式沉淀下來。

3 貝殼粉作為吸附劑吸附重金屬

3.1 去除鎘

Alidoust等研究結(jié)果表明相比于Fricundich方程，Langmuir方程可以更好地表述貝殼粉對(duì)Cd2+的吸附過程，動(dòng)力學(xué)模型滿足偽二階動(dòng)力學(xué)方程，最大吸附量為1666.67mg/g。未煅燒的淡水貽貝粉和淡水蝸牛殼粉對(duì)Cd2+也有較好的去除效果，其最大吸附量分別為18.18mg/g以及20mg/g。Yen等利用正交實(shí)驗(yàn)方法優(yōu)化了牡蠣殼粉去除Cd2+的反應(yīng)條件（pH、煅燒溫度、投加量、初始濃度以及反應(yīng)時(shí)間），其中pH是決定吸附效果的決定因素，占整個(gè)比例的57%。

3.2 去除鉻

Yen等利用1000℃下煅燒的牡蠣殼粉對(duì)電鍍廢水中Cr6+的去除效率可達(dá) 99%。林曉榮利用未煅燒的牡蠣殼粉吸附1mg/L的Cr6+，24小時(shí)去除率可達(dá)41.39%，飽和吸附量為1.83mg/g，吸附過程滿足Langmuir方程，吸附動(dòng)力學(xué)滿足準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。

3.3 去除鉛

Zhou等比較了天然CaCO3和牡蠣殼粉在600℃下煅燒后對(duì) Pb2+的去除效果，結(jié)果顯示牡蠣殼粉飽和吸附量是天然CaCO3的三倍，達(dá)到1667mg/g，同時(shí)后者反應(yīng)速率也顯著優(yōu)于前者。Odoemelam等研究了牡蠣殼粉（300℃）、蝸牛殼粉（400℃）、濱螺殼粉（200℃）對(duì)Pb2+的去除效果，反應(yīng)40min后其去除效率均可達(dá)到99%以上。需要注意的是，Pb2+離子與碳酸根離子形成PbCO3沉淀，而煅燒溫度超過650℃時(shí)CaCO3將轉(zhuǎn)化為CaO。因此，利用貝殼粉去除Pb2+時(shí)煅燒貝殼粉的最適溫度不應(yīng)高于650℃。