《Sustainable Chemistry One World》：Temperature-controlled eggshell-derived CaO nanoparticles for efficient removal of heavy Metals and organics from mining effluent
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•通过 600–900 °C 煅烧蛋壳衍生 CaO 纳米粒子的绿色合成，实现了生物废物的可持续增值，用于矿山废水处理。•表征确认了具有介孔、热稳定性和高结晶度的 CaO，结晶度从 71.5% 增加到 99.6%。•CaO 纳米粒子高效去除了矿山废水中的 Fe(III)、Cu(
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通过 600–900 °C 煅烧蛋壳衍生 CaO 纳米粒子的绿色合成，实现了生物废物的可持续增值，用于矿山废水处理。
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表征确认了具有介孔、热稳定性和高结晶度的 CaO，结晶度从 71.5% 增加到 99.6%。
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CaO 纳米粒子高效去除了矿山废水中的 Fe(III)、Cu(II)、BOD 和 COD。
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吸附遵循准二级动力学，是自发的、吸热的且由熵驱动的。
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CaO 纳米粒子表现出优异的可重复使用性和结构稳定性，在 900 °C 煅烧下达到最佳吸附性能。
引言
工业和采矿过程的发展显著加剧了重金属污染和有机废物负荷进入水生生态系统，对生态系统平衡和人类健康造成严重危害。像 Fe(III) 和 Cu(II) 这样的重金属在自然界中不可降解，容易生物富集，即使在较低浓度下也具有毒性。此外，BOD 和 COD 的增加导致水中溶解氧浓度降低。化学沉淀、离子交换、凝聚和膜过滤等传统方法已被广泛用于处理工业废水；然而，由于操作成本较高、低浓度污染物去除效率低、膜污染、化学品过度消耗以及产生二次污泥，它们缺乏可持续性 (Fernandez et al., 2023; Wojciechowska & Lendzion-Bielun, 2020; Karami et al., 2025)。吸附技术因其操作程序简单、去除率高、易于再生且能耗低而脱颖而出，被认为非常有前景。近年来，纳米结构化吸附剂因其高反应性表面、可调孔隙和高数量的吸附位点而备受关注，用于从复杂废水系统中吸附无机和有机污染物 (Khan et al., 2021)。在众多金属氧化物纳米材料中，CaO 因其无毒、优异的热稳定性、高表面碱性和对重金属的亲和力而显示出很大前景。在水介质中，CaO 发生水合反应，形成具有高反应性且富含羟基的 Ca(OH)?结构，有助于与溶解金属离子进行吸附、离子交换和沉淀反应。此外，由于其碱性，它增强了溶解有机物的失稳和凝聚，从而使 CaO 成为去除重金属和有机污染物的合适材料。
然而，在传统方法中，CaO 的合成需要商业高纯度材料和能耗高的程序，导致过程成本高昂 (Rathnayake et al., 2023)。因此，最近的研究倾向于探索农业和食物废物作为钙的可再生资源，以符合循环经济理念创造有价值的 CaO 吸附剂 (Noah & Ndangili, 2022)。蛋壳废物是最易得的含钙生物质之一，含有高达 94–97% 的碳酸钙 (CaCO?)，这使蛋壳成为生产 CaO 纳米粒子的理想材料。因此，将蛋壳废物转化为纳米材料不仅减少了废物污染，还为水净化提供了一种经济且可持续的吸附剂。
蛋壳吸附剂在重金属离子提取方面的有效性已在众多科学工作中得到证明。例如，煅烧蛋壳能够去除超过 90% 的 Cu(II) 和 Pb(II) 离子，蛋壳与磁铁矿、粉煤灰或聚合物的复合材料被发现具有高的吸附能力和分离性能 (Segneanu et al., 2022; Chou et al., 2023)。同样，聚合物和石墨烯复合纳米材料由于其丰富的官能团和改性表面特性而显示出高的吸附容量 (Gupta et al., 2021; Alkhaldi et al., 2024)。尽管这些研究表明此类材料可以通过蛋壳衍生工艺制备，但关于合成参数如何影响这些材料性质的研究并不多。煅烧温度在控制结晶度、孔隙率、表面化学和吸附性能方面的影响从未被充分研究。
煅烧温度控制 CaCO?热分解为 CaO，并影响颗粒生长、结晶度、孔隙率和化学活性表面位点。煅烧不足会导致 CaCO?未分解和表面缺陷，降低材料的吸附容量，而过度煅烧会导致颗粒烧结和比表面积降低。因此，吸附性能不仅受表面积影响，还受结晶度、表面碱性、孔隙率和活性 Ca–O 表面位点可达性的影响。矿山废水为测试此类吸附剂提供了绝佳机会，因为它总是包含大量的溶解重金属和以 BOD 和 COD 表示的有机物。无机和有机污染物的组合，复杂基质的存在构成了复杂问题，这就需要创造多功能吸附剂，能够通过吸附、离子交换、络合物形成、凝聚和沉淀等多种不同过程去除多种污染物。开发此类高效、经济且环境友好的纳米材料用于净化矿山废水至今仍是相关的问题。
为了解决上述问题，本研究探索了通过 600 到 900 °C 范围内的煅烧生产基于蛋壳的 CaO 纳米粒子的可能性。确立了煅烧温度对材料性质及其效率的影响。通过动态光散射 (DLS)、BET 表面积测量、FTIR 光谱、带 EDX 的 SEM、TGA、带 SAED 的 HRTEM 和 XRD 技术进行了全面表征。研究了在矿山废水中对 Fe(III)、Cu(II)、BOD 和 COD 的吸附潜力。本研究的独特之处在于，它首次尝试建立从蛋壳获得的氧化钙 (CaO) 纳米粒子的结构发展与其用于矿山废水处理的吸附容量之间的整体温度依赖关系。与仅关注吸附过程效率的以往研究相比，本研究将晶体结构、形态、纹理和表面化学与吸附机理研究相结合，揭示了煅烧温度对结晶度、表面碱性、孔隙结构和吸附的影响。
章节摘要
材料
本工作中使用的所有分析级试剂均未纯化直接使用。当地餐厅提供的废弃鸡蛋壳作为合成 CaO 的主要前驱体。外壳随后用 Sigma-Aldrich 提供的分析级硝酸 (HNO?, 65%) 处理，以溶解残余碳酸盐和表面污染物。冲洗和稀释使用去离子水进行，而乙醇 (99.9%) 则用于表面清洁。
氧化钙 (CaO) 的动态光散射 (DLS) 谱
对使用蛋壳废物材料在不同煅烧温度下合成的氧化钙 (CaO) 纳米粒子进行了动态光散射 (DLS) 分析，以测定其流体力学尺寸和分散均匀性 (图 1)。在 600 °C 时，CaO 纳米粒子的流体力学尺寸最小 (43.61 nm)，PDI 较低 (0.313)，并在 67 nm 处具有窄峰分布。这可能是因为 CaCO3分解不完全且烧结较低 (Liaqat et al., 2022;
吸附研究
表 2 显示了当前研究中使用的原始矿山废水的初始理化性质。原始废水的 pH 值接近中性，为 7.47 ± 0.01，这意味着根据监管要求，废水在 pH 阈值范围内；然而，它含有大量的污染物。目标重金属浓度很高，Fe(III) 为 11.393 ± 0.000 mg/L，Cu(II) 为 4.582 ± 0.000 mg/L，远远超过
结论
成功合成、表征了 CaO 纳米粒子，并将其用于从废水中去除 Fe(III)、Cu(II)、BOD 和 COD，分别采用动态光散射、BET、XRD、SEM、EDX 和 TGA 分析方法，纳米粒子表现出良好的粒径分布、高表面积、立方晶体结构、圆形形态和高达 600 °C 的热稳定性。官能团 (-OH, CO?2?) 在
CRediT 作者贡献声明
Jimoh Oladejo Tijani: 监督，软件，资源，方法论。Abdulsalami Sanni Kovo: 可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，数据整理。Kasmen Dogo: 可视化，软件，资源，项目管理，调查。Ambali Saka Abdulkareem: 可视化，验证，监督，软件，方法论。Aminu Shaibu: 验证，软件，资源，调查。Saheed Mustapha: 监督，软件，项目管理，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
Isaac Alhamdu Baba|Aminu Shaibu|Saheed Mustapha|Omoniyi Babajide Awe|Samuel Oluwaseun Kolade|Emmanuel Chidera Amawuosa|Kasmen Dogo|Ambali Saka Abdulkareem|Jimoh Oladejo Tijani|Abdulsalami Sanni Kovo|Kehinde Shola Obayomi
