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        巧用“廚余垃圾”去除重金屬的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        2021-02-21 08:50:29李法瑞江勝根
        化學(xué)教與學(xué) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:納米

        李法瑞 江勝根

        摘要:重金屬污染是現(xiàn)代社會發(fā)展中的重要環(huán)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(jié)構(gòu)的良好吸附性來吸附水中重金屬污染的典型重金屬鉛。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dá)312.5mg.g。1。同時(shí)測試了其吸附速度,在吸附十五分鐘后基本達(dá)到平衡。

        關(guān)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(xiàn)標(biāo)識碼:B

        doi: 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.01.025

        一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)背景

        水是生命的基礎(chǔ),是生物生存發(fā)展不可缺少的重要物質(zhì),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(fā)現(xiàn),羥基磷灰石具有吸附重金屬的作用,但常規(guī)化學(xué)法制備羥基磷灰石成本較高。所以,是否能采用廉價(jià)原料來制備是推廣此類材料在去除重金屬污染方面應(yīng)用的關(guān)鍵之一。

        基于羥基磷灰石對鉛釉吸附作用,之前曾經(jīng)有研究者采用煅燒骨進(jìn)行鉛吸附,但是吸附效率有待進(jìn)一步提高。如何提高常規(guī)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(guān)鍵。研究表明,具有納米表面結(jié)構(gòu)的材料具有高比表面積,有可能提高吸附效率。調(diào)研發(fā)現(xiàn),近期有報(bào)道采用水熱反應(yīng)并選擇合適的水熱液體,就可以將磷酸鈣轉(zhuǎn)化成納米結(jié)構(gòu)羥基磷灰石。但是,水熱法需要高溫。因此,本課題創(chuàng)新性地提出了采用餐飲廢棄的動物骨(豬骨)結(jié)合模擬體液反應(yīng),在室溫下制備高效鉛吸附材料的思路。

        二、實(shí)驗(yàn)部分

        1.實(shí)驗(yàn)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(jì),磁力攪拌器,離心機(jī),研缽,200目篩,超聲儀;掃描電鏡,ICP(電感耦合等離子光譜發(fā)生儀),X射線衍射儀;

        2.實(shí)驗(yàn)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(jìn)行SEM和XRD測試,以證明經(jīng)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(diào)節(jié)pH為5.5,室溫?cái)嚢?小時(shí)。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(diào)節(jié)溶液pH為5.5,室溫?cái)嚢?小時(shí)。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(diào)節(jié)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?cái)嚢?小時(shí)。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(jù)Kokubo的方法進(jìn)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(yīng)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(fù)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(jìn)行SEM和XRD測試,以證明經(jīng)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(diào)節(jié)pH為5.5,室溫?cái)嚢?小時(shí)。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(diào)節(jié)溶液pH為5.5,室溫?cái)嚢?小時(shí)。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(diào)節(jié)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?cái)嚢?小時(shí)。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(shí)驗(yàn)結(jié)果

        1.羥基磷灰石粉體SEM圖

        使用SEM進(jìn)行形貌觀察,煅燒后未處理骨的結(jié)果如圖1所示:

        浸泡SBF后骨的結(jié)果如圖2所示:

        SEM照片顯示,煅燒后的豬骨呈現(xiàn)棒狀微米級顆粒狀,結(jié)構(gòu)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(jié)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(chǎn)生的晶相,從而測定所得材料種類。測試結(jié)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(qiáng)度變?nèi)?,礦化后形成的HA結(jié)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(jié)構(gòu)的羥基磷灰石。

        3.豬骨重金屬吸附性測試結(jié)果

        通過ICP重金屬濃度分析,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及l(fā)angmuir等溫吸附方程:

        (其中Ce為吸附平衡時(shí)Pb2+的質(zhì)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(shù),與吸附劑和吸附質(zhì)的性質(zhì)以及溫度有關(guān),其值越大,表示吸附劑的吸附性能越強(qiáng)。)

        經(jīng)過計(jì)算,可得煅燒骨(未處理)的理論最大吸附量是:96. 15mg.9-1,實(shí)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(shí)際最大吸附量為:306.79mg.g-1。各項(xiàng)參數(shù)如表1所示:

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

        上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(dá)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(dá)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(xiàn)相比[2][3],煅燒骨對重金屬Pb的理論最大吸附量比文獻(xiàn)報(bào)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(xiàn)報(bào)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(jié)論

        本研究在進(jìn)行單純未處理煅燒骨吸附重金屬鉛的基礎(chǔ)上作了進(jìn)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(xì)小的納米片狀結(jié)構(gòu),使其具有較大的比表面積,大大增強(qiáng)對鉛的吸附能力,實(shí)現(xiàn)了“變廢為寶”。這一研究具有原料易得、納米制備反應(yīng)條件溫和、能耗低、吸附量大、吸附速度快等優(yōu)點(diǎn),在水體重金屬污染處理上應(yīng)用前景廣闊。

        參考文獻(xiàn)

        [1]

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

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        [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

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