生物源贝壳粉高效吸附水体镉污染：机制解析与环境应用

本研究针对水体镉(Cd2+)污染治理难题，创新性利用废弃贝壳粉（SP/OP/MP）作为低成本吸附剂，通过ICP-OES、XRD等技术证实其吸附效率>96%（MP达99.9%），揭示静电吸附-离子交换-络合协同机制，为重金属污染治理提供绿色解决方案。

　　

重金属污染如同潜伏在生态环境中的"隐形杀手"，其中镉(Cd)因其强毒性和生物累积性被列为优先控制污染物。在发展中国家，工业排放和农业活动导致的水体镉污染尤为严重，不仅破坏水生生态系统，更通过食物链威胁人类健康，引发肾损伤、骨软化甚至癌症。与此同时，沿海地区堆积如山的贝壳废弃物——中国每年产生约1500万吨——成为新的环境负担。这些看似无用的贝壳，却因其富含钙碳酸盐(CaCO₃)和独特的多孔结构，在科学家眼中变废为宝的契机。

汕头市科研团队在《Journal of Water Process Engineering》发表的研究，首次系统比较扇贝(SP)、牡蛎(OP)和贻贝(MP)三种贝壳粉对Cd²⁺的吸附性能。研究发现，50 g/L MP可在24小时内去除99.9%的10 mg/L Cd²⁺，远超传统吸附材料。通过ICP-OES（电感耦合等离子体发射光谱）定量分析，结合XRD（X射线衍射）和FTIR（傅里叶变换红外光谱）表征，揭示吸附过程存在四重机制：带正电的Cd²⁺与贝壳表面负电荷的静电吸引；Ca²⁺与Cd²⁺的离子交换；羧基/羟基与金属离子的络合作用；以及CdCO₃微沉淀的生成。特别值得注意的是，贝壳内源微生物群落可能通过生物矿化作用增强吸附，这为后续生物强化技术开发提供新思路。

关键技术方法
研究采用三种贝壳粉处理模拟含镉废水，通过动力学实验（0-24h）和等温吸附模型（Langmuir/Freundlich）评估性能。使用ICP-OES测定Cd²⁺浓度，XRD/FTIR/XPS（X射线光电子能谱）解析吸附产物化学组成，SEM（扫描电镜）观察表面形貌变化。

研究结果

1. 吸附动力学：40分钟内完成80%吸附，符合准二级动力学模型，表明化学吸附主导过程。
2. 等温吸附：Langmuir模型拟合度更高，暗示单分子层吸附特征，MP最大吸附量达197.2 mg/g。
3. 机理验证：XRD检测到CdCO₃特征峰，FTIR显示-COO^-基团位移，证实化学络合参与反应。
4. 微生物作用：16S rRNA测序发现芽孢杆菌属(Bacillus)等具有金属耐受性的菌群，可能通过胞外聚合物促进吸附。

结论与意义
该研究将贝壳废弃物转化为高效镉吸附剂，实现"以废治污"的循环经济模式。MP的卓越性能归因于其更高的比表面积和有机-无机杂化结构。研究成果不仅为沿海国家处理贝壳垃圾提供新途径，更推动重金属吸附材料向低成本、环境友好的方向发展。未来研究可聚焦微生物群落定向调控、吸附剂再生技术等方向，进一步优化实际工程应用效果。