利用小球藻去除水溶液中 Cu2+和 Co2+的研究：吸附性能与机制探讨

为解决 Cu2+、Co2+等重金属离子污染水体问题，研究人员以小球藻（Chlorella vulgaris）为 biosorbent，研究其对水溶液中 Cu2+和 Co2+的吸附效果。结果表明其吸附符合伪二阶动力学等模型，为废水处理提供新方向。

　　

重金属污染犹如潜伏在水体中的隐形杀手，随着工业活动的加剧和城市化进程的推进，铜（Cu²⁺）、钴（Co²⁺）等重金属离子通过废水排放等途径不断侵入水环境。这些重金属在生物体内具有蓄积性，过量摄入会对人类肝肾等器官造成损伤，甚至威胁心血管和呼吸系统健康，成为亟待解决的全球性环境难题。传统的重金属去除方法往往成本高、操作复杂，且易产生二次污染，因此，寻找一种高效、环保、经济的生物吸附材料成为科学界的重要课题。

在这样的背景下，来自相关研究机构的研究人员开展了以小球藻（Chlorella vulgaris）为生物吸附剂去除水溶液中 Cu²⁺和 Co²⁺的研究。该研究成果发表在《Desalination and Water Treatment》，为重金属废水处理领域带来了新的思路和希望。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析小球藻表面的功能基团，利用扫描电子显微镜（SEM）观察其表面形貌，运用电位法测定零电荷点（pH_pzc），借助原子吸收光谱（AAS）检测溶液中金属离子浓度。同时，采用批处理系统，在不同初始浓度、pH、吸附时间等条件下，研究小球藻对 Cu²⁺和 Co²⁺的吸附性能，并运用 Langmuir、Freundlich、伪二阶动力学等模型对吸附数据进行分析。

小球藻的特性分析

通过 SEM 观察发现，小球藻呈现不规则微球形和不同尺寸的颗粒结构，这种形态使其具有较大的比表面积和丰富的吸附位点。元素分析表明，其主要成分为碳（约 55%）和氧（33%），富含纤维素、木质素等有机化合物。FTIR 检测到其表面存在 - OH、-CH、C=O 等功能基团，这些基团是吸附重金属离子的关键位点。零电荷点（pH_pzc）测定为 8，当溶液 pH 高于该值时，小球藻表面带负电荷，有利于通过静电作用吸附阳离子如 Cu²⁺和 Co²⁺。

吸附性能研究

在单组分系统中，随着 Cu²⁺和 Co²⁺初始浓度的增加，去除率逐渐下降，这是由于小球藻表面吸附位点有限。Langmuir 模型显示，小球藻对 Cu²⁺的最大吸附容量（q_max）为 30.3 mg?g^-1，对 Co²⁺为 9 mg?g^-1，表明其对 Cu²⁺的吸附效果更优。Freundlich 模型中，n 值分别为 2.4（Cu²⁺）和 2.9（Co²⁺），均在 1-10 范围内，说明吸附过程高效，且小球藻表面为异质吸附位点。

在二元系统中，运用扩展 Langmuir 模型和 Jain-Snoeyink 模型分析，Cu²⁺和 Co²⁺的 q_max平均值分别为 22.2 mg?g^-1和 19.6 mg?g^-1，显示出小球藻对两种离子均有一定的吸附能力，但对 Cu²⁺的亲和力略高。

吸附动力学研究

动力学实验表明，小球藻对 Cu²⁺和 Co²⁺的吸附过程符合伪二阶动力学模型，相关系数（R²）分别为 0.997 和 0.975，说明吸附过程以化学吸附为主，涉及吸附剂表面与金属离子之间的电子共享或价键力作用。颗粒内扩散模型显示，吸附过程分为边界层扩散、表面扩散和颗粒内扩散阶段，其中颗粒内扩散是吸附速率的主要控制因素。

吸附机制探讨

综合吸附等温线和动力学结果，小球藻对 Cu²⁺和 Co²⁺的吸附主要为单分子层吸附，通过表面功能基团与金属离子的静电吸附、离子交换和络合作用实现。FTIR 光谱显示，吸附后部分功能基团的峰强度和位置发生变化，进一步证实了金属离子与小球藻表面基团的相互作用。

这项研究表明，小球藻作为一种低成本、易获取、环境友好的生物吸附剂，在重金属废水处理中具有显著的应用潜力。其对 Cu²⁺和 Co²⁺的高效吸附性能，为工业和市政废水中重金属的去除提供了新的技术途径，有助于缓解重金属污染对生态环境和人类健康的威胁，推动绿色环保型水处理技术的发展。研究结果不仅丰富了生物吸附领域的理论知识，也为实际工程应用提供了重要的实验依据和数据支持。