基于氧化钙纳米颗粒增强电絮凝技术高效去除水溶液中镉离子的动力学研究及RSM优化

本研究针对水体镉(Cd2+)污染治理难题，开发了以溶胶-凝胶法制备的氧化钙纳米颗粒(CaO NPs)为天然絮凝剂的电絮凝(EC)协同体系。通过响应面法(RSM)优化获得99.5%的去除率，证实其符合伪二级动力学模型(R2=0.9981)和Langmuir等温线(R2=0.997)，为重金属废水处理提供了高效低耗的解决方案。

　　

水体重金属污染已成为全球性环境挑战，其中镉(Cd²⁺)因其持久性、生物累积性和强毒性备受关注。工业废水排放导致镉在生态系统中富集，通过食物链威胁人类健康，引发肾损伤、心血管疾病等严重后果。传统处理方法如化学沉淀、离子交换存在成本高、二次污染等问题，亟需开发高效绿色的去除技术。

针对这一难题，研究人员开展了基于氧化钙纳米颗粒(CaO NPs)增强电絮凝(EC)技术的研究。通过溶胶-凝胶法合成CaO NPs，采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和热重分析(TGA)证实其具有高结晶度(晶粒尺寸35.43 nm)和丰富表面官能团。研究创新性地将EC与天然絮凝剂结合，在pH 8.12、初始浓度574.74 mg/L、反应时间39.35分钟、电流密度0.36 A/m²条件下实现99.16%的镉去除率。

关键技术包括：1) 采用中心复合设计(CCD)优化四因素三水平实验；2) 紫外分光光度法测定镉浓度；3) 吸附动力学与等温线模型拟合；4) 零电荷点(pHPZC)测定表面电荷特性。

研究结果显示：

1. 表征分析：XRD显示CaO NPs在2θ=32.38°-67.93°呈现面心立方结构，FTIR证实吸附后-OH(3464→3457 cm^-1)和C=O(1433 cm^-1)峰位移，表明Cd²⁺与含氧基团配位。
2. 吸附机制：Langmuir模型(q_m=18.18 mg/g, R²=0.9996)优于Freundlich模型，证实单层化学吸附；伪二级动力学(R²=0.9981)表明速率受化学键合主导。
3. RSM优化：ANOVA验证模型显著性(F=510.08)，交互作用显示pH与剂量(AD项)对去除率影响最大，最优条件下实验值(99.11%)与预测值(98.55%)误差仅0.56%。

该研究证实EC-CaO NPs体系通过协同作用实现高效除镉：电絮凝产生的Al(OH)₃絮体与CaO NPs共同提供吸附位点，电解产生的H₂气泡促进絮体上浮。技术兼具低成本(天然原料)、低能耗(0.36 A/m²)和少污泥优势，为工业废水处理提供了新思路。论文发表于《South African Journal of Chemical Engineering》，为重金属污染治理领域的技术创新提供了重要参考。