巧用“厨余垃圾”去除重金属的实验设计

李法瑞 江胜根

摘要：重金属污染是现代社会发展中的重要环境问题，本课题以生活中易得的厨余垃圾——猪骨头（主要成分：磷酸钙）为原料，采用模拟体液浸泡法在猪骨颗粒上生长纳米羟基磷灰石，利用其纳米结构的良好吸附性来吸附水中重金属污染的典型重金属铅。实验结果显示，猪骨制纳米羟基磷灰石对单体铅的吸附量最大可达312.5mg.g。1。同时测试了其吸附速度，在吸附十五分钟后基本达到平衡。

关键词：羟基磷灰石;模拟体液浸泡法;重金属吸附;纳米

文章编号：1008-0546（2021）01-0088-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.01.025

一、实验设计背景

水是生命的基础，是生物生存发展不可缺少的重要物质，重金属对水体的污染直接危害人体健康。羟基磷灰石是一种生物材料，无毒且生物相容性良好。研究发现，羟基磷灰石具有吸附重金属的作用，但常规化学法制备羟基磷灰石成本較高。所以，是否能采用廉价原料来制备是推广此类材料在去除重金属污染方面应用的关键之一。

基于羟基磷灰石对铅釉吸附作用，之前曾经有研究者采用煅烧骨进行铅吸附，但是吸附效率有待进一步提高。如何提高常规的动物骨羟基磷灰石的铅吸附效率，是找到更高效铅吸附剂的关键。研究表明，具有纳米表面结构的材料具有高比表面积，有可能提高吸附效率。调研发现，近期有报道采用水热反应并选择合适的水热液体，就可以将磷酸钙转化成纳米结构羟基磷灰石。但是，水热法需要高温。因此，本课题创新性地提出了采用餐饮废弃的动物骨（猪骨）结合模拟体液反应，在室温下制备高效铅吸附材料的思路。

二、实验部分

1.实验材料

猪骨;SBF（模拟体液）;硝酸铅;次氯酸钠溶液，乙醇，氨水，盐酸;

25mL水热釜，pH计，磁力搅拌器，离心机，研钵，200目筛，超声仪;扫描电镜，ICP（电感耦合等离子光谱发生仪），X射线衍射仪;

2.实验过程

（1）制备羟基磷灰石方法（一）——煅烧猪骨

制备步骤：

①收集猪骨（吃掉肉之后剩的排骨），用水、乙醇清洗猪骨各三次，烘干。

②煅烧猪骨（600℃，升温速度2℃/min，保温2h）。

③用研钵研磨煅烧猪骨，并过200目筛。

（2）表征测试（一）

将制备出的粉体进行SEM和XRD测试，以证明经过上步制备操作后制得材料具有羟基磷灰石表征，并观察其形貌。

（3）重金属吸附性能测试（一）

①羟基磷灰石粉体对单-Pb的吸附

配制重金属溶液。将Pb（N03）2溶解于去离子水中，配制200mL含有100mg/L重金属溶液备用。取上述制备的粉体10mg置于20mL Pb（ NO3）2溶液中，并用氨水、盐酸调节pH为5.5，室温搅拌1小时。在5min、10min、15min、20min、60min，分别取1mL悬浊液，离心，保留上清液。

配制更高浓度的重金属溶液。将Pb（NO3）2溶解于去离子水中，配制含有400mg/L，600mg/L，800mg/L，1000mg/L各200mL。取上述制备的粉体各lOmg分别置于20mL上述配制的四种不同浓度的Pb（N03）2溶液，用氨水、盐酸调节溶液pH为5.5，室温搅拌1小时。在5min、10min、15min、20min、60min，分别取1mL悬浊液，离心，保留上清液。

配制不同pH的重金属溶液。将Pb（NO3）2溶解于去离子水中，配制200mL含有200mg/L重金属溶液，分成两份，用氨水、盐酸分别调节至pH=4.4，pH=5.5备用。取上述制备的粉体各10mg分别置于20mL上述配制的两种不同pH的Pb（NO3）2溶液，室温搅拌1小时。分别取ImL悬浊液，离心，保留上清液。

②通过ICP分析上述各上清液的重金属浓度。

（4）制备羟基磷灰石方法（二）——浸泡SBF处理猪骨

制备步骤：

①收集猪骨（吃掉肉之后剩的排骨），用水、乙醇清洗猪骨各三次，烘干。

②煅烧猪骨（600℃，升温速度2℃/min，保温2h）。

③用研钵研磨煅烧猪骨，并过200目筛。

④模拟体液配制：模拟体液根据Kokubo的方法进行配制[1]，其组成与人血浆离子浓度类似。

⑤称取0.2g骨粉与50mL SBF溶液混合，在37℃摇床反应3天，每天换液取出样品，离心，保留沉淀，加入适量水，超声分散;再离心并用水、乙醇反复清洗三次。然后将样品烘干。

（5）表征测试（二）

将制备出的粉体进行SEM和XRD测试，以证明经过上步制备操作后制得材料具有羟基磷灰石表征，并观察其形貌。

（6）重金属吸附性能测试（二）

①羟基磷灰石粉体对单- Pb的吸附

配制重金属溶液。将Pb（N03）2溶解于去离子水中，配制200mL含有100mg/L重金属溶液备用。取上述制备的粉体10mg置于20mL Pb（ NO3）2溶液中，并用氨水、盐酸调节pH为5.5，室温搅拌1小时。在5min、10min、15min、20min、60min，分别取1mL悬浊液，离心，保留上清液。

配制更高浓度的重金属溶液。将Pb（N03）2溶解于去离子水中，配制含有400mg/L，600mg/L，800mg/L，1000mg/L各200mL。取上述制备的粉体各lOmg分别置于20mL上述配制的四种不同浓度的Pb（N03）2溶液，用氨水、盐酸调节溶液pH为5.5，室温搅拌1小时。在5min、10min、15min、20min、60min，分别取1mL悬浊液，离心，保留上清液。

配制不同pH的重金属溶液。将Pb（NO3）2溶解于去离子水中，配制200mL含有200mg/L重金属溶液，分成两份，用氨水、盐酸分别调节至pH=4.4，pH=5.5备用。取上述制备的粉体各10mg分别置于20mL上述配制的两种不同pH的Pb（NO3）2溶液，室温搅拌1小时。分别取1mL悬浊液，离心，保留上清液。

②通过ICP分析上述各上清液的重金属浓度。

三、实验结果

1.羟基磷灰石粉体SEM图

使用SEM进行形貌观察，煅烧后未处理骨的结果如图1所示：

浸泡SBF后骨的结果如图2所示：

SEM照片显示，煅烧后的猪骨呈现棒状微米级颗粒状，结构较为致密。常温下浸泡SBF后，表面形成了一层疏松的纳米片状的羟基磷灰石。纳米片的厚度在10nm左右，均匀地分布在骨的表面。

2.XRD結果

XRD （X-ray diffraction）即X射线衍射，用于分析我们用猪骨制得材料所产生的晶相，从而测定所得材料种类。测试结果如图3所示：

如图3所示，XRD表明，煅烧骨（未处理）和浸泡SBF骨均为羟基磷灰石。与未处理煅烧骨相比，浸泡SBF后，峰强度变弱，矿化后形成的HA结晶度较差，表明材料颗粒更小，比表面积更大。

综合XRD和SEM表明在浸泡处理后，煅烧骨的表面形成了一层纳米结构的羟基磷灰石。

3.猪骨重金属吸附性测试结果

通过ICP重金属浓度分析，根据实验数据以及langmuir等温吸附方程：

（其中Ce为吸附平衡时Pb2+的质量浓度，qe为平衡吸附容量/（mg/g），qm为饱和吸附量/（mg/g），KL为吸附平衡常数，与吸附剂和吸附质的性质以及温度有关，其值越大，表示吸附剂的吸附性能越强。）

经过计算，可得煅烧骨（未处理）的理论最大吸附量是：96. 15mg.9^-1，实际最大吸附量为：84.75mg.g^-1。浸泡SBF骨（三天）的理论最大吸附量是：312.5mg.g^-1，实际最大吸附量为：306.79mg.g^-1。各项参数如表1所示：

随着时间的变化，在吸附十五分钟后基本达到平衡，之后吸附容量变化不大，如图4所示：

上述实验数据表明，浸泡SBF处理后的猪骨对重金属铅的吸附量显著增大，吸附量是煅烧骨（未处理）的三倍。处理前后的骨均在十五分钟后达到平衡。在初始铅浓度为200mg/L的条件下，未处理骨的吸附率为28.75%，浸泡处理后的猪骨吸附率达到81 .05%。未处理骨的平衡吸附容量为88.68mg/g，处理后骨的平衡吸附容量为259.36mg/g。

与文献相比[2][3]，煅烧骨对重金属Pb的理论最大吸附量比文献报道的42.3mg.g^-1高约50mg.g^-1。本次研究的主要突破在于采用浸泡SBF处理方法在猪骨上形成一层疏松的纳米片状的羟基磷灰石，浸泡骨最大吸附量为本文中煅烧骨（未处理）的3倍，是文献报道的7倍[4]。吸附剂对比如表2所示：

通过简单的模拟体液浸泡处理后，大大增加了猪骨对重金属Pb的吸附。

四、结论

本研究在进行单纯未处理煅烧骨吸附重金属铅的基础上作了进一步改良，将煅烧骨常温浸泡在SBF模拟体液中，生成与未处理骨相比更加细小的纳米片状结构，使其具有较大的比表面积，大大增强对铅的吸附能力，实现了“变废为宝”。这一研究具有原料易得、纳米制备反应条件温和、能耗低、吸附量大、吸附速度快等优点，在水体重金属污染处理上应用前景广阔。

参考文献

[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