膨润土基猫砂作为低成本吸附剂去除水中铜离子的效能与机制研究

针对工业废水中铜离子污染治理难题，研究人员创新性地采用市售膨润土基猫砂（NBE/BE）作为低成本吸附剂，通过XRF、SEM/EDS表征结合Jovanovic等温线模型和Elovich动力学分析，揭示其单层局部吸附机制，在无挡板SBT搅拌反应器中实现最高61.867%去除率（qk =0.629 mmol/g），为重金属废水处理提供经济高效的解决方案。

　　

随着工业活动加剧，铜离子(Cu²⁺
)污染已成为威胁水生态安全和公众健康的重大环境问题。传统吸附剂如活性炭成本高昂，而天然黏土材料虽价格低廉却存在吸附效率不稳定的瓶颈。如何开发兼具经济性和高效性的新型吸附材料，成为环境工程领域亟待突破的课题。

在此背景下，来自中国的研究团队创新性地将目光投向市售膨润土基猫砂——这种富含蒙脱石(montmorillonite)的日用产品具有天然膨胀特性和丰富孔隙结构。研究人员选取标注为"天然膨润土"(NBE)和普通膨润土(BE)的两种猫砂，通过系统的表征分析和反应器优化，探究其对铜离子的吸附性能与机制。相关成果发表在《Hybrid Advances》期刊。

研究采用X射线荧光光谱(XRF)分析材料元素组成，扫描电镜(SEM)观察微观形貌，结合能谱(EDS)追踪铜分布。通过建立Langmuir、Freundlich等吸附等温线模型，并运用Elovich方程和Weber-Morris模型解析动力学过程。特别设计了带45°斜桨(PBT)和直叶桨(SBT)的搅拌反应器，考察挡板对流体动力学特性的影响。

材料表征揭示组分差异
XRF检测显示NBE含有更高含量的Fe₂
O₃
(12.8% vs 6.52%)和CaO(6.82% vs 3.66%)等可交换阳离子。SEM图像呈现多孔非均质结构，EDS证实吸附后铜含量显著提升(NBE从0.3%增至8.0%)。FTIR光谱在998 cm^-1
处的特征峰证实了蒙脱石结构的存在。

等温吸附拟合最优模型
Jovanovic模型以最低平均绝对偏差(AARD=8.373%)拟合实验数据，表明吸附为无横向作用的单层局部吸附过程。NBE在305K时最大吸附量达0.761 mmol/g，显著高于BE的0.507 mmol/g。热力学参数ΔH⁰
为正值(3.569-43.881 kJ/mol)，证实吸热反应特性。

反应器设计影响显著
在无挡板SBT反应器中，当搅拌速度与临界悬浮速度比值(N/N_JS
)达0.89时取得最佳效果，铜去除率61.867%，吸附容量0.629 mmol/g。计算流体力学模拟显示，无挡板设计产生的周向流可延缓颗粒沉降，增强传质效率。

浓度依赖的动力学机制
低浓度(≤3.053 mmol/dm³
)时Elovich方程拟合最优，初始吸附速率A值达33713 g/mmol·min²
；高浓度(≥5.046 mmol/dm³
)则符合Weber-Morris模型，速率常数k_d
为0.023 mmol/g·min^1/2
，表明膜扩散与颗粒内扩散共同控速。

成本效益优势突出
经济分析显示，NBE的效益成本比(B/C)达347.48欧元，其最大吸附容量138.99 mg/g优于文献报道的香蕉皮(88.94 mg/g)和纳米改性膨润土(82 mg/g)等材料。

该研究首次系统论证了膨润土猫砂作为重金属吸附剂的工程应用潜力，特别是发现"天然膨润土"标签产品的性能优势可能源于其更高的铁钙含量。通过反应器流体动力学优化与吸附动力学模型的精准匹配，为规模化废水处理装置设计提供了理论依据。研究不仅拓展了粘土基材料的资源化利用途径，更为发展中国家应对重金属污染提供了符合成本效益的解决方案。未来研究可进一步探索材料再生循环使用策略，以及复合污染体系中的选择性吸附机制。