当前世界环境

介绍

大量污染物释放到自然环境中导致了许多环境问题。重金属排放因其毒性和生物累积性而备受关注。^1.金属的人为来源包括工业、石油污染、污水处理和许多。

铅是回收率最高的有色金属，由于其延展性和延展性，可用于制造业、建筑业和化学工业。其主要用途包括制造电池、汽油添加剂、轧制和挤压产品、合金、颜料、电缆护套、枪弹和弹药。^2.铅对多个器官系统都是有毒的，即使浓度很低。

胎儿和婴儿的神经系统特别容易受到铅的影响，铅可以穿过胎盘，穿透血脑屏障。其后果是智力的丧失、成长和行为的破坏。最近的研究表明，铅会损害婴儿的大脑在血液水平5µg/dL本身。^3.

重金属去除技术包括化学沉淀、化学氧化或还原、蒸发、离子交换和膜技术。生物吸附法是一种经济、有效、简便的方法。,physic-chemical interaction between metal ions and the functional groups present on the adsorbents’ surface. Utilization of commercial expensive adsorbents is now getting replaced by low cost materials, owing to its availability in large quantities. Once, if the solid material could be used as a sorbent, it provides another advantage of solid waste disposal.^4.

骨骼是复合材料的一部分，其为动物提供形状和支持。牙釉质和骨骼具有相当不同的组成，因此具有不同的物理和机械性能。牙釉质是体内最难和最高度的矿化物质。它是96％的矿物质（钙被发现为羟基磷灰石（CA.₁₀[PO_4.]_6.(哦)_2.)，含水和4%蛋白质。^5.高矿物含量提供了它的强度和硬度，但也脆性。下颚被打坏的山羊牙是被丢弃在肉铺里的固体废物，后来被丢弃为零成本废物。除了有助于确定山羊的年龄外，这是一种剪切窝。山羊牙齿解剖图像如图1所示。

图1:山羊牙齿的解剖 点击这里查看图

废山羊牙齿，用于目前用于去除Pb（II）离子的研究。这些材料的选择是基于通过Pb（II）离子从矿物磷酸钙替代钙离子的事实是有利的^，6排列成一种叫做羟基磷灰石的晶体结构。Pb(II)在山羊牙齿上的吸附是由于溶解度低、物理形态复杂、作为交换位点的反应基团含量较高等因素造成的。

生物吸附效率取决于许多因素viz，吸附剂剂量/粒度，接触时间，温度和金属离子浓度/ pH值。计算用于评估等温和动力学模型来描述过程行为的能力的均衡数据。在文献中均有很少的研究，用于使用山羊牙齿捕获重金属离子的生物吸附过程的优化。

材料和方法

山羊的牙齿是从当地的屠宰场采集的，并与紧密结合的颌骨分离。在流水下小心去除与牙齿相关的软组织/骨髓等宏观杂质，并在阳光下干燥十天。初步筛选批次研究是用未加工、预清洁的山羊牙齿（RGT）进行的。它在电动混合器中粉碎，并使用经过科学测试的分子筛（孟买JAYANT Scientific Instruments Co.，孟买）进行筛分，以评估未处理材料（GT）的效率。（RGT）和粉碎材料（GT）的图示如图2所示。

制备生物吸附剂

用蒸馏水冲洗山羊牙齿，用空气干燥，然后在室温下浸渍酸0.1nHCl 4小时。经过处理过的山羊牙（TGT）的几种用双蒸馏水洗涤，直至获得pH 7.0±0.5（Labtronics Deluxe pH计），使用电混合器的空气干燥，并将其分为所需的颗粒尺寸。

表征研究

进行0.18mm粒径的改性吸附剂的物理化学特性。实验参数是pH（Elico（Li-120）pH米）;水分含量(二甲苯 - 提取试验方法(ASTM D 2867 - 95));体积密度(比重瓶）;比重(Pycnometer带温度计）;灰分含量（约科马弗炉).去除重金属离子。

表面形态学研究

处理的和Pb（II）的TGT进行光谱分析（在400-4000cm的范围内^-1)使用以下方法确定吸附剂中存在的主要官能团：岛津红外分光光度计．使用PB（II）吸附前后处理过的山羊牙的表面形态学JEOL JFM-6390扫描电子显微镜（20 kV）在1.33 x10的真空下^-6我是酒吧。使用溅射镀膜机（SCD 0050–Baltec，列支敦士登）在样品上覆盖一薄层铂（10 nm），并进行扫描以测定化学成分。对吸附剂进行能量色散X射线分析，以估算元素组成。

金属溶液-制备

用于实验性设定的所有试剂都是分析级。使用双蒸水制备溶液。通过溶解1.598g Pb来制备1000mg / L的储备溶液（NO_3.)_2.在1升标准烧瓶中。由股票制备不同浓度的标准溶液，通过各自的稀释液作为所需的稀释液进行进一步的等分试样。使用0.1N HCl / 0.1n NaOH通过和大量调节pH环境。

批处理的研究

在250 ml碘瓶中进行平衡研究，在TGT（0.1、0.2、0.5和1）的可变剂量下，使用50 ml山梨酸盐物种 g） ，以描述变量的作用，即粒径（0.18mm、0.21mm、0.30mm、0.42mm和0.71mm）、接触时间（5、10、30、60min）、初始金属离子浓度（100-1000:250mg/L间隔）和pH值（1、3、5、7和9）。

解吸/再生研究

经过批量研究后，运行中试柱，以0.1N HCl作为解吸剂，在流量为200ml / 5min、负载40mg的条件下，检查所选材料的解吸/再生能力。

数据分析

使用AAS记录初始和残留的PB（II）离子浓度（Shimadzu6200 AA原子吸收分光光度计)，其波长为283 nm。用公式计算了从水溶液中吸附Pb(II)的百分比值和量，％Adsorption =（C_一世- C_E) / C_一世Eÿ100和q = V (C_一世- C_E) / W分别．

实验验证的研究

将Langmuir、Freundlich、Tempkin和Dubinin- Kaganer- Radushkevich建立的等温线数学模型应用于吸附平衡数据，以了解吸附机理。采用准一级、准二级吸附动力学对吸附效率进行了评价。通过计算吸附系统的标准自由能、焓和熵的变化，确定吸附反应的可能性和可行性。使用输出变量工具，即ANOVA、Pearson相关和基于95%置信水平的显著性描述性分析，使用IBM SPSS Statistics 20软件验证统计拟合程度。

结果与讨论

筛查研究

分别筛选山羊牙(GT)和经HCl处理的GT (TGT)的吸附能力。使用TGT对抗RGT观察到Pb(II)离子的生物吸附增加(图3)。这可能是由于在经受酸处理后，材料暴露了更多的活性金属结合位点。^7.

生化的特性研究

表1显示了TGT的理化特性对吸附能力的影响。TGT呈中性pH值。低含水率意味着制备的材料性质稳定，储存问题少。^8.灰分含量值(≈1%)有利于碳含量丰富的无机物的存在，有利于更大的吸附位点的可用性。比重值< 2.0说明在络合物形成过程中，对有机物的吸附不活跃。⁹体积密度值<1.2有利于存在具有更高孔隙体积的细颗粒。孔隙度表示材料的微孔含量。高钙磷比证明TGT是一种非化学计量的羟基磷灰石（即>1.67）。¹⁰

表1:理化特性

表2:理化特性比较

从骨废物中制备的各种活性炭的生理化学特性比较¹¹用TGT制成的[牛骨活性炭（CBAC）、狗骨活性炭（DBAC）、山羊骨活性炭（GBAC）和鸡骨活性炭（CHAC）]*表明，后者具有较低的水分和灰分含量，从而增强了活性金属结合位点。较低的体积密度值支持具有许多孔隙的较大表面积。

图2:预先清洁和分类的山羊牙齿 点击这里查看图

图3:筛选研究- GT / TGT 点击这里查看图

图4 FTIR谱图 点击这里查看图

图5:SEM / EDAX -卸载TGT 点击这里查看图

红外光谱研究

处理和PB（II）的FT-IR光谱在图4中表示。在图4中的重叠峰值3000-3700cm之间表示^-1对应于结构的拉伸振动哦^-磷酸钙羟基磷灰石中的组。在1013厘米处的特征峰^-1和556厘米^-1是否可以分配到Ê^3.不对称的P-O延伸和Ê^4.分别为PO的O-P-O弯曲模式_4.^{3 -}小组。¹²低强度峰值在1744厘米处^-1，1668厘米^-1/ 1515厘米^-1, 1217厘米^-1请参阅oh的弯曲振动^-/ co._3.^{2 -}组。O-H振动的平动模式在613 cm处可见^-1. 峰值为867厘米^-1可以参考HPO吗_4.^{2 -}小组。¹³Pb(II)加载的TGT谱峰数比未加载的TGT少，且由于金属吸附作用，峰值强度增加。

SEM/EDAX分析

利用SEM和EDAX分析了处理和加载样品的表面形貌。图5a的不规则粗糙表面纹理对应于卸载的TGT，在金属负载SEM图像（图6a）的情况下，表面形态发生了特定变化，具有大片状簇排列。图5b、6b分别记录了TGT和Pb（II）-TGT的EDAX光谱，其中12.8 keV下出现的新峰对应于Pb（II）在TGT上的有效吸附，Ca、P、O是主要成分，如图所示。

图6:SEM / EDAX - Pb(II)加载TGT 点击这里查看图

图7：颗粒大小的影响 点击这里查看图

图8:初始金属离子浓度的影响 并联系时间 点击这里查看图

图9：剂量的影响 点击这里查看图

图10:pH的影响 点击这里查看图

初始金属离子浓度和接触时间的影响

吸附剂的粒径大小对吸附金属离子起着至关重要的作用。图7为TGT 5种粒径(0.18mm、0.24mm、0.30mm、0.41mm和0.71mm)对Pb(II)的吸附实验结果，粒径较小的0.18mm对Pb(II)的最大吸附量为(62.32mg/g)。这可以归因于这样一个事实，即更小的粒径提供了更大的表面积与官能团，并有倾向于在更短的时间内平衡。¹⁴因此，0.18mm的粒径固定为即将进行的实验的最佳粒径。

粒径的影响

图8为不同搅拌时间间隔(5、10、30、60)下，100-1000 mg/L范围内的初始金属离子浓度:250 mg/L。TGT单位重量的金属摄取量从100 ~ 250 mg/L ie线性增加(53.59 ~ 62.32 mg/g)。，表示浓度梯度的集合。吸附剂对重金属离子的吸收通常分为两个阶段。两阶段吸附首先是快速/定量占优势，第二阶段定量不显著。¹⁵

最初的摄取率以后逐步逐步指示10分钟的平衡状态达到，后果阅读高原。该结果反映了初始金属浓度的固定和接触时间分别为250mg / L和10分钟。

图11：Langmuir等温线 点击这里查看图

图12:弗伦德利希等温线 点击这里查看图

图13：Tempkin等温线 点击这里查看图

图14：DKR等温线 点击这里查看图

图15:伪第一顺序 点击这里查看图

图16：伪秒顺序 点击这里查看图

剂量的影响

随着剂量（0.1-1.0 g）的增加，qe值的累积增加可从图9中看出，其中0.2g/50ml的吸附率显著较高（62.32 mg/g）。金属离子在生物吸附剂基质上的持续吸收可能是由于重金属络合有更大的金属结合位点。为进一步研究优化了0.2g剂量。

溶液pH的影响

水溶液的pH值是一个重要参数，它可能会改变或控制金属离子的溶解度/快速电离度以及吸附剂上反离子的浓度。¹⁶H⁺在不同pH环境下的Pb（II）中测定离子浓度（1-11）。图10显示了来自pH 1-5的金属吸附的随机增加，由于H之间的竞争性吸附更竞争⁺和铅(2)离子。由于H较小，在pH为5时去除率达到最大值⁺离子浓度。pH 6是金属水解的形成和沉淀点，通过用羟基替换内部配位球中的中央金属配体发生。

pH为> 6时，含氧官能团的存在使吸附剂(TGT)表面带有负电荷，由于存在排斥静电相互作用，为Pb(II)的吸附提供了较少的活性位点。与其他研究者的材料的pH/吸附能力的比较研究如表2所示。TGT是一种新型材料，在其他研究人员的活性炭中被发现具有很好的处理能力。

表3：几种吸附剂上各种重金属的吸附容量（QE）的比较

等温研究

等温线给出了包含表面性质和活性中心的指数分布及其能量的表达式。在不同初始金属离子浓度（100-1000 mg/L）下，对Pb（II）-TGT的吸附系统应用了四个经验模型，即Langmuir、Freundlich、Tempkin和DKR等温线。这些等温线与每单位重量吸附剂q的金属吸收有关_E与体相C中的平衡金属离子浓度相反_E．所涉及的等温方程、序列图和相应的常数列于表4。根据图11-14中对应的浓度值得到了线性图。

表4:吸附等温线

计算了由图形表示得出的相应等温常数值/相关系数，并在表5中列出。常数q_m，K_F问：_S.与Langmuir、Freundlich和Dubinin- Kaganer- Radushkevich (DKR)图斜率值计算的吸附容量对应。b, b_T为吸附热，对应的1/n为吸附强度。A._TE和E涉及相应的平衡结合常数和平均自由能。

表5：等温参数

相关系数(R^2.）观察到所研究的等温线是：Langmuir> Freundlich> Tempkin> DKR指示Langmuir模型最好地描述单层吸附似乎与特定部位一致。问：_m值大于K_F问：_S.这些值表明吸附能力更好，支持Langmuir模型，即使在Freundlich等温线的情况下线性拟合很明显。此外，吸附强度值在0.1<1/n<1.0范围内表示吸附良好。单分子层吸附有利于A_T和B._T值（Tempkin常量）。由DKR等温线图得出的平均自由能值为8-1，表明离子交换解释了吸附机理。^23日,24日

动力学研究

动力学研究在去除水溶液中的金属离子方面起着更大的作用。动力学方程、相对值的推导以绘制连续图形及其常数如表6所示。

表6：吸附动力学

Pb(II) - TGT体系的吸附速率常数(表7)是根据浓度梯度的时间分布计算出来的，动力学(伪一级和伪二级)图如图15和16所示。计算得到的线性相关系数值(R^2.)相对较高，从最佳线性拟合可以看出(图16)，对应的吸附容量为67.1140 mg/g，与Batch Study (Page No . 5)的数据分析得出的实验值(62.32 mg/g)相匹配。这有利于伪二级动力学模型更好地描述吸附体系。²⁵

热力学研究

吸附机理可以通过热力学因素确定，即自由能的变化(∆G⁰)计算公式:ΔG = -RT lnk_C．采用线性回归分析计算热力学常数，列于表8。热力学参数吸附焓(∆H⁰）和熵（âs⁰）分别从Vant Hoff的情节的坡度和拦截计算。负焓（âH⁰)该值表示能量有利的吸附过程。²⁶消极ˆ†G⁰值表明，具有吸附剂的金属离子之间的所有相互作用是能量上可行的和自发过程。dg的大小⁰与温度成正比，暗示吸附在较高温度下更有利。正值的正值⁰从表8可以看出，吸附过程中固溶体界面的随机性增加。

表7：动力学参数

表8：热力学参数

解吸/再生研究

中试柱的实验结果表明，在0.1N HCl的作用下，吸附材料表面的Pb(II)离子被固定，二价离子没有被解吸。TGT具有100%的再生能力，可重复吸附5次。衰竭完成后，饱和的TGT可以作为植物的肥料²⁷

统计分析

统计基础计算（表9）支持无错误吸附环境的实验值。进行描述性，相关性和ANOVA研究，以评估四种因素viz之间的显着差异，粒度，剂量，金属浓度和pH。P <0.01的值被认为是显着的。计算的阳性峰和偏斜值对应于分布中不对称的峰值和程度。Pearson相关分析显示数据集之间的关系。除粒径外的因素与实验数据呈正相关。使用一种方式ANOVA在95％置信水平下进行验证方差（P和F）值的评估，P值为<0.01和f> f_填料-Value有利于数据具有统计学意义的，即，在除剂量之外的所有参数中观察到缺斑假设的拒绝。

表9：描述性/ ANOVA /相关性研究

*相关性在0.01水平显著(双尾)

结论

山羊牙齿是一种倾倒在当地屠宰场的固体废物，收集、处理并进行平衡研究，以评估其捕获Pb（II）离子的能力。批量研究表明，在最佳条件下，吸附剂粒径为0.18 mm，初始金属浓度为250 mg/L，吸附剂用量为0.2 g，平衡时间为10 min，室温（293K）下pH值为5，TGT对Pb（II）的去除率为100%。经过处理和负载金属的TGT的理化参数、FT-IR、SEM/EDAX分析记录了整个质量吸附过程。将吸附数据拟合到Langmuir、Freundlich、Temkin和Dubinin-Kaganer-Radushkevich等温线中，发现Langmuir吸附模型与其他等温线相比具有最高的回归值。吸附动力学研究遵循准二级机理。热力学计算表明了吸附过程的可行性、放热性和自发性。虽然未碳化，但化学改性的山羊牙齿在去除Pb（II）离子方面具有良好的吸附能力（62.32 mg/g）。使用0.1N HCl作为解吸剂，未观察到从排出的TGT中浸出金属离子。在5次重复吸附循环中，金属负载材料的再生能力记录为100%。因此，可以得出结论，这种廉价的材料是从实验室水溶液中捕获重金属的有前途的吸附剂。这项工作的未来范围在于开始扩大工业废水的吸附过程。

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