巧用“廚余垃圾”去除重金屬的實驗設計

李法瑞 江勝根

摘要：重金屬污染是現代社會發展中的重要環境問題，本課題以生活中易得的廚余垃圾——豬骨頭（主要成分：磷酸鈣）為原料，采用模擬體液浸泡法在豬骨顆粒上生長納米羥基磷灰石，利用其納米結構的良好吸附性來吸附水中重金屬污染的典型重金屬鉛。實驗結果顯示，豬骨制納米羥基磷灰石對單體鉛的吸附量最大可達312.5mg.g。1。同時測試了其吸附速度，在吸附十五分鐘后基本達到平衡。

關鍵詞：羥基磷灰石;模擬體液浸泡法;重金屬吸附;納米

文章編號：1008-0546（2021）01-0088-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.01.025

一、實驗設計背景

水是生命的基礎，是生物生存發展不可缺少的重要物質，重金屬對水體的污染直接危害人體健康。羥基磷灰石是一種生物材料，無毒且生物相容性良好。研究發現，羥基磷灰石具有吸附重金屬的作用，但常規化學法制備羥基磷灰石成本較高。所以，是否能采用廉價原料來制備是推廣此類材料在去除重金屬污染方面應用的關鍵之一。

基于羥基磷灰石對鉛釉吸附作用，之前曾經有研究者采用煅燒骨進行鉛吸附，但是吸附效率有待進一步提高。如何提高常規的動物骨羥基磷灰石的鉛吸附效率，是找到更高效鉛吸附劑的關鍵。研究表明，具有納米表面結構的材料具有高比表面積，有可能提高吸附效率。調研發現，近期有報道采用水熱反應并選擇合適的水熱液體，就可以將磷酸鈣轉化成納米結構羥基磷灰石。但是，水熱法需要高溫。因此，本課題創新性地提出了采用餐飲廢棄的動物骨（豬骨）結合模擬體液反應，在室溫下制備高效鉛吸附材料的思路。

二、實驗部分

1.實驗材料

豬骨;SBF（模擬體液）;硝酸鉛;次氯酸鈉溶液，乙醇，氨水，鹽酸;

25mL水熱釜，pH計，磁力攪拌器，離心機，研缽，200目篩，超聲儀;掃描電鏡，ICP（電感耦合等離子光譜發生儀），X射線衍射儀;

2.實驗過程

（1）制備羥基磷灰石方法（一）——煅燒豬骨

制備步驟：

①收集豬骨（吃掉肉之后剩的排骨），用水、乙醇清洗豬骨各三次，烘干。

②煅燒豬骨（600℃，升溫速度2℃/min，保溫2h）。

③用研缽研磨煅燒豬骨，并過200目篩。

（2）表征測試（一）

將制備出的粉體進行SEM和XRD測試，以證明經過上步制備操作后制得材料具有羥基磷灰石表征，并觀察其形貌。

（3）重金屬吸附性能測試（一）

①羥基磷灰石粉體對單-Pb的吸附

配制重金屬溶液。將Pb（N03）2溶解于去離子水中，配制200mL含有100mg/L重金屬溶液備用。取上述制備的粉體10mg置于20mL Pb（ NO3）2溶液中，并用氨水、鹽酸調節pH為5.5，室溫攪拌1小時。在5min、10min、15min、20min、60min，分別取1mL懸濁液，離心，保留上清液。

配制更高濃度的重金屬溶液。將Pb（NO3）2溶解于去離子水中，配制含有400mg/L，600mg/L，800mg/L，1000mg/L各200mL。取上述制備的粉體各lOmg分別置于20mL上述配制的四種不同濃度的Pb（N03）2溶液，用氨水、鹽酸調節溶液pH為5.5，室溫攪拌1小時。在5min、10min、15min、20min、60min，分別取1mL懸濁液，離心，保留上清液。

配制不同pH的重金屬溶液。將Pb（NO3）2溶解于去離子水中，配制200mL含有200mg/L重金屬溶液，分成兩份，用氨水、鹽酸分別調節至pH=4.4，pH=5.5備用。取上述制備的粉體各10mg分別置于20mL上述配制的兩種不同pH的Pb（NO3）2溶液，室溫攪拌1小時。分別取ImL懸濁液，離心，保留上清液。

②通過ICP分析上述各上清液的重金屬濃度。

（4）制備羥基磷灰石方法（二）——浸泡SBF處理豬骨

制備步驟：

①收集豬骨（吃掉肉之后剩的排骨），用水、乙醇清洗豬骨各三次，烘干。

②煅燒豬骨（600℃，升溫速度2℃/min，保溫2h）。

③用研缽研磨煅燒豬骨，并過200目篩。

④模擬體液配制：模擬體液根據Kokubo的方法進行配制[1]，其組成與人血漿離子濃度類似。

⑤稱取0.2g骨粉與50mL SBF溶液混合，在37℃搖床反應3天，每天換液取出樣品，離心，保留沉淀，加入適量水，超聲分散;再離心并用水、乙醇反復清洗三次。然后將樣品烘干。

（5）表征測試（二）

將制備出的粉體進行SEM和XRD測試，以證明經過上步制備操作后制得材料具有羥基磷灰石表征，并觀察其形貌。

（6）重金屬吸附性能測試（二）

①羥基磷灰石粉體對單- Pb的吸附

配制重金屬溶液。將Pb（N03）2溶解于去離子水中，配制200mL含有100mg/L重金屬溶液備用。取上述制備的粉體10mg置于20mL Pb（ NO3）2溶液中，并用氨水、鹽酸調節pH為5.5，室溫攪拌1小時。在5min、10min、15min、20min、60min，分別取1mL懸濁液，離心，保留上清液。

配制更高濃度的重金屬溶液。將Pb（N03）2溶解于去離子水中，配制含有400mg/L，600mg/L，800mg/L，1000mg/L各200mL。取上述制備的粉體各lOmg分別置于20mL上述配制的四種不同濃度的Pb（N03）2溶液，用氨水、鹽酸調節溶液pH為5.5，室溫攪拌1小時。在5min、10min、15min、20min、60min，分別取1mL懸濁液，離心，保留上清液。

配制不同pH的重金屬溶液。將Pb（NO3）2溶解于去離子水中，配制200mL含有200mg/L重金屬溶液，分成兩份，用氨水、鹽酸分別調節至pH=4.4，pH=5.5備用。取上述制備的粉體各10mg分別置于20mL上述配制的兩種不同pH的Pb（NO3）2溶液，室溫攪拌1小時。分別取1mL懸濁液，離心，保留上清液。

②通過ICP分析上述各上清液的重金屬濃度。

三、實驗結果

1.羥基磷灰石粉體SEM圖

使用SEM進行形貌觀察，煅燒后未處理骨的結果如圖1所示：

浸泡SBF后骨的結果如圖2所示：

SEM照片顯示，煅燒后的豬骨呈現棒狀微米級顆粒狀，結構較為致密。常溫下浸泡SBF后，表面形成了一層疏松的納米片狀的羥基磷灰石。納米片的厚度在10nm左右，均勻地分布在骨的表面。

2.XRD結果

XRD （X-ray diffraction）即X射線衍射，用于分析我們用豬骨制得材料所產生的晶相，從而測定所得材料種類。測試結果如圖3所示：

如圖3所示，XRD表明，煅燒骨（未處理）和浸泡SBF骨均為羥基磷灰石。與未處理煅燒骨相比，浸泡SBF后，峰強度變弱，礦化后形成的HA結晶度較差，表明材料顆粒更小，比表面積更大。

綜合XRD和SEM表明在浸泡處理后，煅燒骨的表面形成了一層納米結構的羥基磷灰石。

3.豬骨重金屬吸附性測試結果

通過ICP重金屬濃度分析，根據實驗數據以及langmuir等溫吸附方程：

（其中Ce為吸附平衡時Pb2+的質量濃度，qe為平衡吸附容量/（mg/g），qm為飽和吸附量/（mg/g），KL為吸附平衡常數，與吸附劑和吸附質的性質以及溫度有關，其值越大，表示吸附劑的吸附性能越強。）

經過計算，可得煅燒骨（未處理）的理論最大吸附量是：96. 15mg.9^-1，實際最大吸附量為：84.75mg.g^-1。浸泡SBF骨（三天）的理論最大吸附量是：312.5mg.g^-1，實際最大吸附量為：306.79mg.g^-1。各項參數如表1所示：

隨著時間的變化，在吸附十五分鐘后基本達到平衡，之后吸附容量變化不大，如圖4所示：

上述實驗數據表明，浸泡SBF處理后的豬骨對重金屬鉛的吸附量顯著增大，吸附量是煅燒骨（未處理）的三倍。處理前后的骨均在十五分鐘后達到平衡。在初始鉛濃度為200mg/L的條件下，未處理骨的吸附率為28.75%，浸泡處理后的豬骨吸附率達到81 .05%。未處理骨的平衡吸附容量為88.68mg/g，處理后骨的平衡吸附容量為259.36mg/g。

與文獻相比[2][3]，煅燒骨對重金屬Pb的理論最大吸附量比文獻報道的42.3mg.g^-1高約50mg.g^-1。本次研究的主要突破在于采用浸泡SBF處理方法在豬骨上形成一層疏松的納米片狀的羥基磷灰石，浸泡骨最大吸附量為本文中煅燒骨（未處理）的3倍，是文獻報道的7倍[4]。吸附劑對比如表2所示：

通過簡單的模擬體液浸泡處理后，大大增加了豬骨對重金屬Pb的吸附。

四、結論

本研究在進行單純未處理煅燒骨吸附重金屬鉛的基礎上作了進一步改良，將煅燒骨常溫浸泡在SBF模擬體液中，生成與未處理骨相比更加細小的納米片狀結構，使其具有較大的比表面積，大大增強對鉛的吸附能力，實現了“變廢為寶”。這一研究具有原料易得、納米制備反應條件溫和、能耗低、吸附量大、吸附速度快等優點，在水體重金屬污染處理上應用前景廣闊。

參考文獻

[1]

KokuboT.JNon-Cryst Solids， 1990， 120（ 1-2）： 138-151

[2][4][5] Cha J，Cui M，Jang M，Cho SH， Moon DH， Khim J.Ki-netic and mechanism studies of the adsorption of lead ontowaste cow bone powder （WCBP） surfaces.Environ GeochemHealth， 2011.33：81-89

[3] [6] Maria Alice Prado Cechinel， Selene Maria Arruda GuelliUlson de Souza， Antonio Augusto Ulson de Souza.Study oflead（ II） adsorption onto activated carbon originating from-cow bone.Journal of Cleaner Production， 2014， 65： 342-349