污泥与蛋壳废料资源化合成羟基磷灰石高效修复含铜废水研究

针对含铜废水处理成本高、易产生二次污染的问题，研究人员创新性地利用污水处理厂污泥（磷源）和废弃蛋壳（钙源）通过化学沉淀法合成羟基磷灰石（HAP），实现了对废水中Cu(II)的高效去除（99.1%去除率，最大吸附容量122.5 mg·g?1）。该材料兼具再生性能（5次循环后保持91.1%吸附能力）和低环境风险（铜浸出率仅0.8%），为重金属污染治理与废弃物资源化提供了可持续解决方案。

　　

随着工业废水排放量激增，铜污染已成为威胁生态系统和人类健康的重大环境问题。电镀、冶金等行业排放的含铜废水中，Cu(II)不仅会破坏水生生物酶系统，还能通过食物链富集引发人体肝肾损伤和神经功能障碍。传统化学沉淀法虽能处理铜污染，但存在成本高昂、易产生含重金属污泥等弊端。面对这一挑战，研究人员另辟蹊径，将目光投向废弃物资源化领域——能否用富含磷的污水厂污泥和富含钙的废弃蛋壳，合成高效吸附材料？

这项发表于《Journal of Water Process Engineering》的研究给出了肯定答案。通过化学沉淀法将两种废弃物转化为羟基磷灰石（Hydroxyapatite, HAP），其独特的Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂晶体结构展现出惊人的铜吸附性能。研究团队系统优化了反应条件，结合多种表征手段揭示了吸附机制，为重金属治理与固废利用提供了双重解决方案。

关键技术方法包括：1) 以蛋壳粉（钙源）和污泥浸出液（磷源）为前驱体，通过化学沉淀法合成HAP；2) 采用X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）分析材料特性；3) 通过批式吸附实验考察pH、温度等因素对Cu(II)去除的影响；4) 利用Langmuir模型和伪二级动力学模型拟合吸附过程；5) 采用0.1 M HNO₃进行材料再生实验。

分析结果

1. 材料表征：XRD证实合成产物为纯相HAP，SEM显示其具有多孔结构，比表面积达82.3 m²·g^?1，为铜离子吸附提供了充足活性位点。

2. 吸附性能：在pH 4、60°C条件下，4 g·L^?1 HAP对500 mg·L^?1 Cu(II)的2分钟去除率达99.1%，最大吸附容量达122.5 mg·g^?1，远超多数报道的吸附材料。

3. 机制解析：伪二级动力学模型（R²=0.999）和Langmuir等温线表明吸附以化学吸附为主，XPS证实Cu(II)通过离子交换取代HAP中的Ca(II)，同时表面形成Cu₅(PO₄)₂(OH)₄沉淀。

4. 环境安全性：长期浸出实验中铜释放率仅0.8%，且HAP对Cu(II)的选择性吸附系数是其他重金属离子的3-8倍。

5. 再生能力：经5次酸洗再生后，材料仍保持91.1%的初始吸附容量，展现良好工程应用潜力。

这项研究的意义不仅在于开发出高效铜吸附剂，更开创了"以废治废"的新范式。相比传统 hydrothermal 法制备的HAP，该工艺能耗降低70%以上，同时实现了污泥和蛋壳的增值利用。研究揭示的离子交换-表面沉淀双重机制为设计新型重金属吸附材料提供了理论依据，而材料优异的再生性能和选择性则为其工业化应用铺平道路。随着环保法规日趋严格，这种兼具经济性与可持续性的技术路线，或将成为重金属废水治理领域的重要突破口。