《Journal of the Indian Chemical Society》：Comparative Adsorption of Heavy Metals from Laboratory Wastewater Using Carbonised Shrimp and Chue Clam Shells
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碳化壳废料被用作低成本的生物吸附材料。
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虾壳在吸附Fe、Mn和Cu方面表现更好。
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Chue蛤壳实现了最高的Zn去除效率。
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FTIR证实碳酸根和氧基团是活性吸附位点。
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基于壳的生物吸附剂支持循环废水处理。
引言
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碳化壳废料被用作低成本的生物吸附材料。
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虾壳在吸附Fe、Mn和Cu方面表现更好。
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Chue蛤壳实现了最高的Zn去除效率。
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FTIR证实碳酸根和氧基团是活性吸附位点。
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基于壳的生物吸附剂支持循环废水处理。
引言
来自工业、商业和实验室活动的废水由于其复杂的化学成分和潜在的毒性，已成为环境污染的主要来源。根据印度尼西亚环境部长2014年第5号关于废水质量标准的法规，废水在排放到环境中之前必须经过适当处理，以防止水质恶化和生态失衡。未经处理的废水含有多种有机和无机污染物，这些污染物会在水生生态系统中积累，威胁环境可持续性和公共健康。多项研究表明，未经处理的废水中可能含有超过允许限量的重金属，如Fe（>5 mg L-1）、Mn（>2 mg L-1）、Cu（>1 mg L-1）和Zn（>5 mg L-1），这些浓度远高于环境质量标准。因此，开发高效、经济且环保的废水处理技术已成为全球重要的研究重点。
在各种废水来源中，实验室废水提出了独特的环境挑战，因为它含有来自分析实验、试剂和测试程序的残留化学物质。尽管实验室废水的产量通常较小，但它经常含有高浓度的有害物质，特别是具有持久性、不可生物降解性和生物累积特性的重金属。先前的研究表明，实验室废水可能含有Fe（2–10 mg L-1）、Mn（1–5 mg L-1）、Cu（0.5–3 mg L-1-1
重金属通常被定义为密度大于5 g cm-3的金属元素，在水生环境中以溶解态和悬浮态存在。虽然一些重金属在微量浓度下对生物系统起着重要作用，但过量积累可能对生物体有毒并干扰生态功能[1]、[2]、[3]、[4]。例如，Cu浓度超过1.3 mg L-1和Zn浓度超过5 mg L-1会导致水生生物中毒，而Mn浓度超过0.4 mg L-1可能影响人类健康。重金属的迁移性和生物利用性受到环境条件的强烈影响，特别是pH值、氧化还原电位和离子强度。较低的pH值通过促进溶解离子物种的形成来增加金属的溶解度，从而增强其在沉积物和水生生物中的传输、生物利用性和积累[5]、[6]、[7]。这些特性使得重金属成为从废水中去除的最具挑战性的污染物之一。
已经开发了多种物理化学技术用于去除重金属，包括化学沉淀、膜过滤、离子交换、电化学处理和吸附。在这些方法中，生物吸附因其高去除效率和低运营成本以及环境可持续性而受到越来越多的关注。生物吸附是更广泛的生物去除过程的一个生物组成部分，在该过程中，天然来源的生物材料通过物理化学相互作用或代谢途径积累并固定污染物[8]、[9]、[10]。先前的研究表明，根据生物吸附剂的类型和操作条件，生物吸附可以实现70–98%的各种重金属的去除效率。吸附过程发生在生物吸附剂表面的功能基团与溶解金属离子通过静电吸引、离子交换、络合和表面沉淀等机制相互作用时。与传统商业吸附剂相比，来自农业和海洋废物的生物吸附剂提供了一个有吸引力的替代方案，因为它们是可再生的、廉价的、可生物降解的，并且容易获得。
海洋壳废料由于其丰富性和高碳酸钙含量，最近成为最有前景的生物吸附剂资源之一。虾壳具有多种优势，包括低成本、环保性和易于制备成生物吸附剂[11]、[12]、[13]。先前的研究表明，基于虾壳的吸附剂可以去除Cu和Zn，去除效率在80%到95%之间，吸附容量为20–60 mg/g，具体取决于激活方法。此外，虾壳含有壳聚糖和残留蛋白质结构，提供了丰富的含氧和含氮功能基团，能够与溶解的重金属相互作用。此外，碳酸钙成分有助于快速沉淀，并便于处理后吸附剂的回收[14]、[15]。同样，Chue蛤（Melanoides tuberculata）壳富含碳酸钙（CaCO3），通常占壳组成的85–95%，在煅烧过程中可以转化为氧化钙（CaO）[16]、[17]。研究表明，基于CaO的吸附剂可以通过沉淀和离子交换机制实现Fe和Mn等金属的90–99%去除效率。由此产生的矿物相对有毒污染物具有很强的亲和力，使Chue蛤壳成为一种有前景的低成本废水处理吸附剂。尽管有这些优势，先前的研究主要单独研究了虾壳或软体动物壳，而在相同制备条件下评估其吸附选择性的对比研究仍然有限。此外，很少有研究具体探讨它们在处理含有多种重金属的实验室废水中的应用，其中竞争性吸附行为起着重要作用。
因此，本研究旨在全面评估和比较碳化虾壳和Chue蛤壳（Melanoides tuberculata）生物吸附剂对实验室废水中Fe、Mn、Cu和Zn的吸附性能。具体来说，该研究（i）表征了两种生物吸附剂的物理化学性质和表面功能基团，（ii）确定了最大去除重金属的最佳吸附剂用量，（iii）在相同实验条件下比较了两种生物吸附剂的吸附选择性，以及（iv）制定了综合创新评估和未来研究路线图，以支持海洋壳废料在废水处理技术中的可持续利用。
本研究的新颖之处不仅在于对在相同碳化条件下制备的两种天然丰富海洋壳废料的比较评估，还在于将吸附性能与可持续性导向的创新评估相结合。与主要关注吸附效率的先前研究不同，这项工作将物理化学表征、重金属选择性比较、创新潜力评估和未来发展方向整合到一个统一的框架中。这种综合方法为海洋壳废料作为环保生物吸附剂的增值提供了新的科学见解，同时为开发成本效益高、基于循环经济的技术用于实验室废水处理和未来工业应用奠定了战略基础。
重要的是，这里的新颖之处并不在于壳衍生生物吸附剂的一般使用，因为这已经得到了很好的验证。这里解决的科学问题是，在相同的碳化和批次处理条件下，对成分不同的虾壳和Chue蛤壳进行受控比较的可用性有限。通过保持制备和操作变量不变，这种设计使得观察到的选择性差异可以直接归因于残留有机和含氧基团与富含CaCO3的矿物相之间的平衡。因此，这项工作提供了一个机制解释的组成-选择性图谱、直接可比的去除率和qe基准，以及根据目标金属选择或组合壳原料的依据。
章节片段
研究方法
图1展示了本研究中采用的完整实验方法，以评估虾壳和Chue蛤壳（Melanoides tuberculata）作为可持续生物吸附剂去除实验室废水中重金属的潜力。工作流程系统地设计以确保生物吸附剂的制备、吸附实验和分析评估的可复现性。研究首先从当地海鲜市场收集海洋壳废料，然后...
结果与讨论
通过物理化学表征和吸附实验全面评估了碳化虾壳和Chue蛤壳生物吸附剂的性能，以阐明材料性质与实验室废水中重金属去除效率之间的关系。讨论首先从制备的吸附剂的表征开始，包括它们的物理性质和表面功能基团，以确定负责金属吸附的活性位点...
结论
本研究表明，碳化虾壳和Chue蛤壳（Melanoides tuberculata）生物吸附剂可以去除Fe、Mn、Cu和Zn；FTIR检测到与候选含氧和碳酸根相关位点一致的吸收带，但未确认主导的吸附机制。吸附性能受到生物吸附剂用量的影响：对于大多数重金属，60 mg被认为是最佳用量。虾壳生物吸附剂表现出略高的去除率...
CRediT作者贡献声明
Rizalman Mamat：写作 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、方法学、调查、资金获取。Erdiwansyah Erdiwansyah：写作 – 审稿与编辑、可视化、验证、方法学、调查、资金获取。Irhamni Irhamni：写作 – 初稿、方法学、调查、正式分析、概念化。Vera Viena：写作 – 初稿、验证、方法学、正式分析、数据管理、概念化。Restu Ginanjar
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢马来西亚彭亨大学 Al-Sultan Abdullah (UMPSA)通过内部拨款RDU252409和PDU253001-1，以及马来西亚Sultan Mizan南极研究基金会（YPASM）2025年研究拨款（拨款编号UIC250828）提供的财政支持。
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