提高天然粘土去除塔鲁丹特（摩洛哥苏斯-马萨地区）地下水和废水中的硝酸盐离子的性能：作用机制、优化方法及毒性变化

《Waste Management Bulletin》：Enhancing the performance of natural clay for nitrate ions removal from groundwater and wastewater of the region of Taroudant (Souss-Massa Morocco): mechanism, optimization and evolution toxicity

硝酸盐去除效率达82.67%，最佳条件为吸附剂0.5g/L、pH4、360分钟接触、1000mg/L初始浓度及18℃。机理涉及静电吸附、离子交换及氢键作用，材料再生后仍保持42.08%去除率，且对植物种子萌发无毒性影响。

　　本研究旨在探讨一种自然吸附材料，即来自摩洛哥东南部的天然黏土（NRC）在去除水体中硝酸盐污染方面的应用潜力。通过实验与分析，我们发现该材料具有良好的吸附性能，并能够有效处理工业和市政废水中的硝酸盐。此外，研究还评估了该材料在农业灌溉水中的应用潜力，通过观察绿豆种子的发芽率，验证了吸附处理后废水的低毒性。以下是本文对研究内容的详细解读。

### 自然黏土的特性与吸附机制

天然黏土具有异质结构和较高的孔隙率，这种结构使得其在吸附硝酸盐方面表现出较高的潜力。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，黏土表面存在深邃的孔隙和明显的凹凸结构，这些特征为硝酸盐的吸附提供了物理基础。进一步的傅里叶变换红外吸收光谱（FT-IR）分析表明，黏土中存在多种官能团，如羟基（OH）、硅氧键（Si-O-Si）和铝镁氢氧化物（Al-Mg-OH）等，这些官能团在吸附过程中可能通过不同的化学机制，包括离子交换、静电相互作用和表面络合等方式参与吸附过程。

此外，通过Brunauer-Emmett-Teller（BET）方法分析得出，天然黏土的比表面积约为6.44 m2/g，表明其具有足够的表面积来吸附硝酸盐。在吸附过程中，随着吸附剂用量的增加，硝酸盐的去除率也显著提高，这表明吸附位点的增加有助于提高吸附效率。然而，当吸附剂用量超过一定范围后，去除率不再显著变化，这可能是因为吸附位点已经饱和。

### 吸附性能的优化

为了优化硝酸盐的去除效率，研究采用了Taguchi实验设计（TED）和响应面法（RSM）两种多变量优化方法。TED通过减少实验次数，使得研究人员能够高效地评估吸附参数之间的相互作用。RSM则用于建立预测模型，帮助确定最佳操作条件。通过TED和RSM的综合分析，研究确定了影响硝酸盐去除效率的三个主要因素：初始浓度、接触时间和pH值。其中，初始浓度对去除效率的贡献最大，达到76.96%；其次是接触时间（11.29%）和pH值（4.3%）。

实验结果显示，在最佳操作条件下（吸附剂用量为0.5 g/L，接触时间为360分钟，初始浓度为1000 mg/L，温度为18°C，pH为4），硝酸盐的去除效率达到了82.67%。这一结果表明，通过优化操作参数，可以显著提高吸附效率。此外，通过改变pH值，研究人员发现，硝酸盐的去除效率在pH值较低时较高，这可能是因为酸性条件促进了吸附位点的电荷分布，增强了硝酸盐与吸附剂之间的静电相互作用。

### 吸附动力学与热力学分析

吸附动力学分析显示，伪二级动力学模型（PSO）能够很好地解释硝酸盐在黏土上的吸附过程。这一模型的R2值接近0.99，表明其对实验数据的拟合度较高。相比之下，伪一级动力学模型（PFO）的R2值较低，表明硝酸盐的吸附过程可能不是简单的物理吸附，而是更复杂的化学吸附过程。

热力学分析进一步揭示了吸附过程的自发性和放热性。计算得出的ΔG°值为负，表明吸附过程在热力学上是可行的，并且自发进行。ΔH°值为负，说明吸附过程是放热的，这意味着随着温度的升高，吸附效率可能会下降。ΔS°值为正，表明吸附过程增加了系统的无序性，这可能是由于吸附剂表面的化学变化导致的。

### 吸附剂的再生与再利用

为了评估吸附剂的再利用性能，研究进行了再生实验。通过使用不同的化学试剂（如硫酸、盐酸、醋酸、氢氧化钠和去离子水）进行洗脱，研究人员发现，使用去离子水洗脱时，硝酸盐的回收率最高，达到62.11%。此外，在三个循环实验中，黏土仍能保持36.86%的硝酸盐去除率，这表明其具有一定的再生能力。尽管再生效率无法达到100%，但这种再生能力使得黏土成为一种经济且可持续的吸附材料。

### 实际应用与环境影响评估

研究还评估了天然黏土在地下水和城市污水中的实际应用潜力。实验显示，在初始硝酸盐浓度为214.11 mg/L的地下水中，黏土的去除效率为13.62%；而在初始浓度为83.87 mg/L的城市污水中，去除效率为37.00%。尽管这些数值低于实验室条件下的最佳去除效率，但它们仍然表明黏土在实际应用中具有一定的吸附能力。

此外，通过绿豆种子发芽实验，研究人员验证了吸附处理后废水的低毒性。实验结果显示，未经处理的污水中绿豆种子的发芽率低于18%，而经过吸附处理后，发芽率提高至94%，接近饮用水的发芽率。这一结果表明，吸附处理后的废水对植物生长的影响显著降低，从而证明了其在农业灌溉中的应用潜力。

### 与其他吸附材料的比较

与其他吸附材料相比，天然黏土在硝酸盐去除方面表现出较高的效率。例如，活性炭在相同条件下去除效率为96.59%，而磁性多壁碳纳米管的去除效率为97.15%。然而，这些材料通常成本较高或需要复杂的处理过程，而天然黏土则因其低成本和易得性，成为一种更具经济可行性的选择。此外，天然黏土的吸附过程无需额外的化学修饰，这进一步降低了其应用成本。

### 结论与展望

本研究证实了天然黏土在去除硝酸盐方面的有效性。通过优化操作参数，天然黏土在实验室条件下能够达到高达82.67%的去除效率，并且其再生性能也显示出良好的应用前景。此外，通过绿豆种子发芽实验，验证了吸附处理后废水的低毒性，为黏土在农业灌溉中的应用提供了支持。

尽管本研究取得了一定成果，但仍有进一步研究的空间。例如，可以探索不同黏土来源的吸附性能差异，以及在不同环境条件下的吸附效率变化。此外，还可以研究黏土与其他材料的复合吸附体系，以进一步提高吸附效率。同时，吸附过程的经济性和环境影响也需要进一步评估，以确保其在实际应用中的可持续性。

综上所述，天然黏土作为一种低成本、高效的吸附材料，具有广泛的应用前景。通过优化操作参数和改进吸附过程，可以进一步提高其去除效率，为水体污染治理提供新的解决方案。