《Journal of Contaminant Hydrology》：Can calcined oyster shells efficiently remove nitrate and phosphate of agricultural origin from groundwater in Ghana?
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硝酸盐和磷酸盐污染严重威胁地下水安全，本研究利用加纳废弃牡蛎壳经600℃煅烧制备的吸附剂（COS-600），其最大吸附容量分别为2.48和3.42 mg/g，吸附机理符合Langmuir等温式和伪二级动力学模型，pH显著影响去除效率，过程自发且吸热，再生实验证实可重复使用。
Jude Ofei Quansah|Sandra Vincentia Asare|Franklin Obiri-Nyarko|Jolanta Kwiatkowska-Malina|Grzegorz Malina
环境化学与卫生工程系，CSIR-水研究所，邮政信箱M32，加纳阿克拉
摘要
水源中高浓度的硝酸盐（NO??）和磷酸盐（PO?3?）对人类健康和环境构成严重威胁。本研究探讨了煅烧牡蛎壳（COS）作为低成本、可持续吸附剂去除加纳地下水中硝酸盐和磷酸盐的潜力。牡蛎壳在200°C至800°C的不同温度下进行煅烧，使用标准分析技术对其进行了表征，并评估了其吸附性能。在600°C下煅烧的样品（COS-600）主要由镁方解石（Ca?.?Mg?.?CO?）组成，表现出最高的吸附性能，硝酸盐和磷酸盐的最大吸附容量分别为2.48 mg/g和3.42 mg/g。这种性能的提升归因于煅烧过程中表面和结构性质的改善。吸附过程受溶液pH值的显著影响，在酸性条件下去除效果更佳。动力学数据符合伪二级模型（R2 > 0.99），而平衡数据则最好用朗缪尔等温线描述（R2 > 0.99），表明吸附主要通过化学吸附机制进行。热力学分析表明吸附过程是自发的且吸热反应。再生实验证明了COS-600的可重复使用性，凸显了其作为处理硝酸盐和磷酸盐污染地下水的可回收和环保材料的潜力。
引言
加纳许多农业社区的地下水质量受到营养盐污染的日益严重威胁，主要来自化肥使用和牲畜废弃物产生的硝酸盐（NO??）和磷酸盐（PO?3?）（Obiri-Nyarko等，2022；Rajkumar等，2024；Dawoud和Al Hassan，2025）。氮基和磷基化肥的广泛使用对维持作物产量至关重要（Simperegui等，2025），但过量施用导致这些营养物质在含水层中渗漏和积累。硝酸盐污染尤为令人担忧，因为其在土壤和地下水系统中的溶解度和流动性很高，可能引发健康问题，如高铁血红蛋白血症、甲状腺功能障碍和胃肠道疾病（Craswell，2021）。虽然磷酸盐的流动性较低，但在酸性或沙质条件下仍可渗漏，并在进入地表水后导致富营养化（Nodeh等，2017）。鉴于这些问题，开发经济实惠且环境可持续的处理材料至关重要，特别是对于严重依赖地下水的社区。
已经开发出多种技术来处理水中的营养盐污染。传统方法如离子交换、树脂、反渗透、膜过滤、电渗析和金属盐化学沉淀虽然有效，但通常成本较高、技术要求高且在资源有限的环境中难以维护（El Midaoui等，2002；Xu等，2010；Bi等，2011；Chiban等，2011；Chen等，2012；Banu和Meenakshi，2017；Sun等，2020）。另一方面，基于吸附的技术因简单、成本效益高且适应不同水质条件而受到越来越多的关注。尽管已有大量研究探讨了活性炭、沸石、粘土、金属氧化物和生物炭等吸附剂去除水中的硝酸盐和磷酸盐的效果（Bhatnagar等，2010；Awual等，2011；Song等，2011；Obiri-Nyarko等，2015；Barnard等，2017；To等，2020；Gizaw等，2021），但最近的研究转向了农业副产品和生物废弃物，因为它们是低成本、丰富且环境可持续的替代品。其中，牡蛎壳因其高钙含量而成为有前景的选择，这有助于促进吸附和沉淀反应（Pap等，2022）。然而，未经处理的牡蛎壳由于晶体结构致密、表面积有限，吸附效率较低，对其实际应用造成挑战。为了提高其性能，人们探索了多种物理和化学改性方法，其中热处理（煅烧）被证明是最有效的方法之一。煅烧可将CaCO?转化为氧化钙（CaO），从而增加其表面孔隙度、反应性和整体吸附能力（Rodriguez-Navarro等，2009；Martins等，2017；Tran等，2021；Pap等，2022）。多项研究表明，热处理后的牡蛎壳磷酸盐去除效率显著提高，吸附行为通常符合朗缪尔等温线和伪二级动力学模型（例如，Pap等，2022）。
在加纳，大量牡蛎壳作为沿海海鲜加工的副产品产生。然而，这些壳往往被丢弃且未得到妥善管理，导致各种环境问题。将这种废弃物重新用于水处理不仅解决了处理问题，还提供了本地可用且可持续的营养盐修复资源。因此，本研究探讨了煅烧牡蛎壳（COS）去除地下水中硝酸盐和磷酸盐的有效性。通过批量吸附实验评估了pH值、温度、初始浓度和接触时间等因素对营养盐去除的影响。此外，还进行了平衡、动力学和热力学分析，以更好地理解吸附过程的机制。
实验部分
溶液制备
实验中使用了分析级试剂，包括硝酸钾（KNO?，纯度99%；Chem-Lab Nv，比利时）、磷酸二氢钾（KH?PO?，纯度98%；Park Scientific Ltd.，英国）、盐酸（HCl，纯度≥99%；Chem-Lab Nv，比利时）和氢氧化钠（NaOH，纯度≥98%；BDH Chemicals Ltd.，英国）。硝酸盐储备溶液的制备方法是：将1.655克KNO?溶解在500毫升去离子水中，然后定容至1000毫升。
牡蛎壳的表征
图2显示了原始牡蛎壳和煅烧牡蛎壳样品的XRD图谱。原始牡蛎壳主要由镁方解石（Ca?.???Mg?.???CO?）组成，这是一种生物成因的碳酸钙矿物，其中镁部分替代了方解石晶格中的钙（晶体学开放数据库，COD编号9001298）。加热至200°C（COS-200）后没有明显的矿物学变化，镁方解石（COD 9001298）仍是主要结晶相。在400°C（COS-400）时，
结论
本研究探讨了在200°C至800°C不同温度下煅烧的牡蛎壳作为低成本吸附剂去除地下水中硝酸盐和磷酸盐的潜力。热处理显著改善了牡蛎壳的物理化学性质，使其吸附性能优于原始材料。最佳结果来自在600°C下煅烧的样品（COS-600），其硝酸盐和磷酸盐的最大吸附容量分别为2.48 mg/g和
作者贡献声明
Jude Ofei Quansah：撰写——初稿、方法学、实验设计、数据分析、概念构建。Sandra Vincentia Asare：撰写——初稿、方法学、实验设计、数据分析、概念构建。Franklin Obiri-Nyarko：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理。Jolanta Kwiatkowska-Malina：撰写——审稿与编辑、数据可视化、验证。Grzegorz Malina：撰写——审稿与编辑、数据可视化、验证。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者衷心感谢CSIR–水研究所提供的机构支持和设施，使这项研究得以顺利进行。
