不同CaCO3對水中磷元素作用的研究

張治華 曾慶浩 梁楠 李君

摘要：磷元素作為水體富營養(yǎng)化的主控因素而受到了廣泛關(guān)注。而碳酸鈣作為自然界中重要的一種無機材料，具有低成本，易制取等優(yōu)點，預(yù)計用作水處理環(huán)境材料時，可降低水體中的磷酸鹽濃度。本文以過氯化鈣和碳酸鈉，碳酸鈣和尿素，尿素和氯化鈣三種方法制備的碳酸鈣為原料。利用傅里葉紅外光譜（FT-IR），掃描電子顯微鏡（SEM）對碳酸鈣進(jìn)行表征，分析了碳酸鈣的形貌，物相等性質(zhì)?？疾炝颂妓徕}對模擬含磷水的處理效果。

關(guān)鍵詞：碳酸鈣;形貌;磷;晶型

研究表明，磷元素是同氮元素一樣引起水體富營養(yǎng)化的主控因子。在地表淡水系統(tǒng)中，正常情況下磷元素是有限的，是植物生長的限制因素，一旦磷元素過量就容易導(dǎo)致藻類植物的過度生長，在湖泊、河流等淡水中形成水華。水體發(fā)生富營養(yǎng)化之后，當(dāng)大量藻類植物死亡之后，導(dǎo)致了大量的富營養(yǎng)因子重新進(jìn)入水體中，供新一代的藻類植物使用。因此，發(fā)生富營養(yǎng)化的水環(huán)境，往往在切斷外來營養(yǎng)物質(zhì)之后，也很難通過水體自身的凈化能力恢復(fù)到正常的狀態(tài)[1]。水體富營養(yǎng)化的指標(biāo)很難確定，這是由于藻類植物的生長受到很多方面的影響，是一種多因素的過程，很難預(yù)測藻類植物生長的趨勢[2]。

隨著科技的迅速發(fā)展，無機功能材料的運用受到各個領(lǐng)域的普遍關(guān)注。由于碳酸鈣具有成本低、無毒無味、性能優(yōu)異等特點，被廣泛應(yīng)用于造紙、涂料、橡膠、塑料、油墨、化妝品、醫(yī)藥等眾多行業(yè)。碳酸鈣作為一種功能性的化工原料，其功能應(yīng)用性能的好壞，主要取決于形貌、粒度、分散性等，其中顆粒的晶型和粒度大小對碳酸鈣的功能和應(yīng)用領(lǐng)域有決定性作用。碳酸鈣顆粒的晶型不同，應(yīng)用領(lǐng)域和功能也大不相同。不同行業(yè)對碳酸鈣的晶型有不同的要求，比如：油墨生產(chǎn)行業(yè)需要立方形或球形;橡膠行業(yè)需要使用針形或鏈狀碳酸鈣;電子、陶瓷行業(yè)需要高純、微細(xì)、球形碳酸鈣;造紙行業(yè)需要紡錘狀、片狀的碳酸鈣。因而，開發(fā)研究不同形貌和粒度的碳酸鈣產(chǎn)品，并應(yīng)用于各行各業(yè)，已成為了各國研究的重點。

鈣元素僅次于氧、硅、鋁、鐵，居第五位的元素，其化學(xué)性質(zhì)比較活潑，因此多以離子狀態(tài)或化合物形式存在。自然界中的鈣，多以碳酸鈣的形式存在，少數(shù)為離子狀態(tài)。尿素作為一種最簡單的有機化合物，是哺乳動物和某些魚類體內(nèi)蛋白質(zhì)代謝分解的主要含氮終產(chǎn)物，其在地球環(huán)境中可痕量存在。當(dāng)環(huán)境中的游離鈣離子，遇到游離的碳酸根離子，生成碳酸鈣而被固定下來。或與痕量尿素相遇，在一定的條件下（高溫高壓），尿素作為碳源可以生成碳酸鈣而被固定下來。此外，當(dāng)碳酸鈣遇到尿素后，一定條件下，尿素水解生成的碳酸根離子可以打破碳酸鈣的溶解平衡，使碳酸鈣發(fā)生變化。

因此，根據(jù)地球環(huán)境中生成的碳酸鈣的原理，用于人工合成碳酸鈣，并將其用于處理含磷水的研究顯得尤為重要。

1.處理模擬含磷廢水

1.1紅外光譜表征分析

TP 濃度為 5 mg/L，加入 0.5 g 制得的碳酸鈣粉末，水浴震蕩兩小時后，過濾干燥后發(fā)現(xiàn)碳酸鈣的質(zhì)量由 0.5 g 變?yōu)?0.4 g，處理前溶液的 pH 為 2.5，處理后溶液的 pH 為 7 左右。

處理后測量吸光度，并將吸光度值代入 TP 標(biāo)準(zhǔn)曲線中，代入擬合曲線求出處理后的濃度見表 1-1。

對磷酸二氫鉀溶液的處理后，測量每個錐形瓶中碳酸鈣的處理率及處理負(fù)荷，如圖如圖3-所示。由圖得出碳酸鈣處理效果較好的為序號 1，序號 6，序號 7。其處理率分別為 71.14%，73.86%，69.93%，處理負(fù)荷分別為 0.88919 mg/g，0.92327 mg/g ，0.8741 mg/g。3，4，5 號處理效率基本不發(fā)生變化，可初步判斷其未發(fā)生顯著變化。6，7，8，9，10 號樣品處理效率呈無規(guī)律變化，表明其在微觀層面上有著較大的差異。

1.2SEM 表征分析

（1）碳酸鈉和氯化鈣制得碳酸鈣系列

結(jié)合圖 3-9 中，不同放大倍數(shù)的 SEM 照片，可以得出具體表現(xiàn)為粒徑為30～100 nm 左右的不規(guī)則球形實心顆粒進(jìn)行堆積，生長且形成了粒徑約為 3～5 μm 的大球體空心顆粒，大顆?；騿为毚嬖?，或幾個聚在一起形成不規(guī)則的球體，表面粗糙，有較多的縫隙;此外在立方體狀的碳酸鈣顆粒表面有納米級的小顆粒附著。

（2）處理磷酸鹽較好的碳酸鈣

處理效果較好的為 1，6，7 號樣品。由圖 3-9 和圖 3-10 可知，其表面粗糙的大顆粒呈現(xiàn)無規(guī)則的雜亂堆積，空隙較多。由圖 3-14 中的左圖可知，6 號樣品中存在著大量其他形貌的碳酸鈣。六邊形狀表面粗糙的片狀碳酸鈣顆粒及介于紡錘和針狀顆粒之間，表面溝壑縱橫的碳酸鈣雜亂堆積，造成空隙較多。由圖 3-14 中的右圖可知，7 號樣品中的碳酸鈣存在著很多介于紡錘和針狀之間，表面粗糙的大顆粒，且不同的顆粒呈現(xiàn)雜亂堆積的狀態(tài)，處理效果較好。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭少麟. 熱帶亞熱帶恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究與實踐[M]. 北京：科學(xué)出版社， 2003.

[2]余作岳. 熱帶亞熱帶退化生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究[M].廣州： 廣東科技出版社， 1996.