成果简介
赤泥（RM）是氧化铝工业产生的固体废弃物，具有强碱性且含有重金属，因此对环境造成严重的污染。通过改性可提高RM的比表面积和孔隙比，使其对印染废水中有机染料表现出良好的吸附能力，近年来逐渐成为研究人员关注的热点。然而目前利用RM作为吸附剂的研究大部分局限于RM粉体的表面活化，而没有解决RM的回收和重金属外泄问题。
本文，陕西科技大学材料学院杨艳玲教授课题组与澳大利亚昆士兰科技大学陈志刚教授课题组在国际知名期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上发表题为“A strategy-purifying wastewater with waste materials: Zn2+ modified waste red mud as recoverable adsorbents with an enhanced removal capacity of congo red”的论文，利用简单的造粒-焙烧工艺和浸渍-焙烧工艺相结合研究设计了一种具有可回收性的锌离子改性赤泥基多孔粒状复合材料（ZAS/GRM），用于高效去除废水中的刚果红（CR）污染液。这项工作的创新性及重要性概括如下：
1） 提出了一种用废弃物处理废水（PWWM）的策略：PWWM策略可同时提高工业固体废弃物的二次利用率并减少环境污染；
2） 制备了一种可回收的高效吸附剂：ZAS/GRM吸附剂使用后可及时回收，极大地解决了传统粉体吸附剂难以回收利用的问题；
3） ZAS/GRM中巧妙设计了许多孔隙结构：具有许多孔隙的ZAS/GRM吸附剂为CR提供了大量吸附位点，可显著提高CR的去除效率；
4） 通过离子交换固化重金属：ZAS中的Zn2+与GRM中的Na+交换，使ZAS纳米颗粒牢固地固定在GRM表面的硅铝酸盐网络，可有效固化GRM中的重金属离子。
这项工作为资源化利用固体废弃物提供了一个合理的设计思路，可以启发更多关于赤泥等废弃物再利用的研究。
图文导读
图1.ZAS/GRM吸附剂的制备示意图
图2.（a）RM、GRM和ZAS/GRM的XRD图谱和（b）红外光谱；（c）ZAS/GRM的热重-差热（TG-DTA）曲线;（d）ZAS/GRM的XPS全谱和（e）Zn 2p，（f）Al 2p，（g）Si 2p，（h）C 1s，（i）O 1s光谱。
图3.（a）FA、（b）RM、（c）GRM的表面及（d）其横截面和（e）ZAS/GRM的表面及（f）其横截面的SEM图像；（g）ZAS/GRM的表面元素面扫图及（h）EDS能谱。
图4. GRM和ZAS/GRM的（a）氮气吸附-解吸等温线及（b）相应的孔径分布曲线；（c）在不同浸渍浓度（0 mol L-1、0.1 mol L-1，0.15 mol L-1和0.2 mol L-1）下制备的ZAS/GRM的吸附量随时间变化曲线及其（d）CR去除能力和抗压强度；（e）不同浸渍浓度下制备的ZAS/GRM的XRD图谱；（f）ZAS/GRM和GRM对CR的去除能力;（g）ZAS/GRM的循环使用性能；（h）CR吸附实验前后溶液的颜色对比;（i）吸附过程中的重金属离子浸出浓度。
图5.（a）添加GRM前后ZnCl2浸渍液的颜色变化；（b）浸渍过程中重金属离子的浸出浓度;（c）浸渍过程中发生的离子交换反应示意图；（d）文献对比；（e）CR在ZAS/GRM上的吸附动力学拟合及（f）吸附等温曲线；（g）ZAS/GRM在不同pH值下的Zeta电位。
图6. CR在ZAS/GRM表面吸附的机理示意图。
小结
这项工作开发了一种锌离子改性的赤泥基多孔粒状复合吸附剂（ZAS/GRM），并将其用于废水中有机染料刚果红（CR）的高效去除。ZAS/GRM具有丰富的孔隙结构和较高的比表面积，可以为CR提供大量吸附位点。此外Zn2+可与刚果红中的带负电的磺酸基团发生静电吸附作用，大幅提升其吸附能力。这项工作展示了将工业固废赤泥作为吸附剂高效去除废水中有机染料的巨大潜力，也为高效利用固废提供了新颖的设计思路。
Dongdong An, Yu Sun, Yan-Ling Yang, Xiao-Lei Shi, Hua-Jun Chen, Li Zhang, Guoquan Suo, Xiaojiang Hou, Xiaohui Ye, Siyu Lu, and Zhi-Gang Chen, A strategy-purifying wastewater with waste materials: Zn2+modified waste red mud as recoverable adsorbents with an enhanced removal capacity of congo red. J. Colloid Interface Sci. 2023, 645: 694-704. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.04.176.