贝壳粉吸附水中重金属研究进展

(大连民族大学环境与资源学院 辽宁·大连 116600)

0 前言

相比于传统吸附技术，生物质吸附法具有低成本、对低浓度重金属离子去除高效率、易操作以及无二次污染等优点，非常适合应用于水体重金属的治理。贝壳粉作为生物质材料之一，因其疏松多孔，完全可以作为重金属吸附剂。目前，利用贝壳粉去除水中重金属污染已经引起各国学者的广泛关注。

传统的水中重金属治理技术主要包括：化学沉淀法、离子交换法、氧化还原法、反渗透法、电渗析法以及超滤法。然而，这些方法自身存在高能耗、大规模应用时高成本、处理低浓度重金属废水低效率以及易产生二次污染等问题。因此，探究高效低成本重金属废水处理技术成为了国内外废水治理领域的研究热点。

相比于传统吸附技术，生物质吸附法具有低成本、无二次污染等优点，非常适合应用于水体重金属的治理。贝壳粉作为生物质材料之一，因其疏松多孔且比表面积大，完全可以作为重金属吸附剂。世界贝类产量丰富，而废弃贝壳则可能造成严重的污染。因此，将这些贝壳制备成贝壳粉吸附剂，既可治理水体中重金属污染，又能解决贝壳胡乱堆砌造成的污染问题。目前，利用贝壳粉去除水中重金属污染已经引起各国学者的广泛关注。

1 贝壳粉的制备

贝壳粉制备的手段主要是破碎和煅烧。制备过程仅破碎未煅烧被称为天然贝壳粉（Raw），破碎后又煅烧的被称为煅烧贝壳粉（Calcined）。贝壳粉经高温煅烧后，仔细观察可见表面出现微纳米级的均匀孔径，且存在大量孔穴，表明经煅烧后的贝壳粉具有优良的吸附能力。贝壳的主要成分是CaCO3，当燃烧温度达到900℃时CaCO3完全转化为CaO。众所周知，CaO的溶解性显著高于CaCO3，此时物质表面Zeta电位为负，可吸附阳离子重金属，且pH越高吸附效果越好。Natalia等人研究结果表明，经过高温煅烧的贻贝壳对Hg2+具有更好的吸附效果。

2 去除机理

研究表明，重金属离子的吸附效率与吸附剂比表面积显著相关。贝壳粉煅烧后比表面积大幅提高，能够提供大量的吸附位点。Darioush等对不同温度下烧结的牡蛎壳粉粒径及比表面积进行了分析，随着烧结温度增大，颗粒粒径逐渐减小而比表面积则不断增加。此外，对比煅烧前后贝壳粉SEM结果也证明了吸附剂比表面积增加以及多孔结构的存在。当被吸附的重金属离子半径与Ca2+接近时，二者可发生交换，重金属离子以无机盐的形式沉淀下来。

3 贝壳粉作为吸附剂吸附重金属

3.1 去除镉

Alidoust等研究结果表明相比于Fricundich方程，Langmuir方程可以更好地表述贝壳粉对Cd2+的吸附过程，动力学模型满足伪二阶动力学方程，最大吸附量为1666.67mg/g。未煅烧的淡水贻贝粉和淡水蜗牛壳粉对Cd2+也有较好的去除效果，其最大吸附量分别为18.18mg/g以及20mg/g。Yen等利用正交实验方法优化了牡蛎壳粉去除Cd2+的反应条件（pH、煅烧温度、投加量、初始浓度以及反应时间），其中pH是决定吸附效果的决定因素，占整个比例的57%。

3.2 去除铬

Yen等利用1000℃下煅烧的牡蛎壳粉对电镀废水中Cr6+的去除效率可达 99%。林晓荣利用未煅烧的牡蛎壳粉吸附1mg/L的Cr6+，24小时去除率可达41.39%，饱和吸附量为1.83mg/g，吸附过程满足Langmuir方程，吸附动力学满足准二级动力学方程。

3.3 去除铅

Zhou等比较了天然CaCO3和牡蛎壳粉在600℃下煅烧后对 Pb2+的去除效果，结果显示牡蛎壳粉饱和吸附量是天然CaCO3的三倍，达到1667mg/g，同时后者反应速率也显著优于前者。Odoemelam等研究了牡蛎壳粉（300℃）、蜗牛壳粉（400℃）、滨螺壳粉（200℃）对Pb2+的去除效果，反应40min后其去除效率均可达到99%以上。需要注意的是，Pb2+离子与碳酸根离子形成PbCO3沉淀，而煅烧温度超过650℃时CaCO3将转化为CaO。因此，利用贝壳粉去除Pb2+时煅烧贝壳粉的最适温度不应高于650℃。