《Powder Technology》：Sustainable synthesis of fly ash-derived zeolite via multi-route approaches: Pathways towards selective remediation of Pb2+ and Cd2+ with integrated life cycle analysis
编辑推荐：
粉煤灰经不同合成方法制备出Na-P、X、Na-A和sodalite型沸石，其中Na-P对Cd2?和Pb2?吸附容量分别达149.0和55.8 mg/g。生命周期评估显示该方法环境效益显著，HTPinf和METPinf值较低。
维卡斯·库马尔·辛格（Vikas Kumar Singh）| 阿贝什·查特吉（Abesh Chatterjee）| 索乌门·潘达（Soumen Panda）| 波拉米·哈兹拉（Poulami Hazra）| B.C. 米卡普（B.C. Meikap）
印度理工学院卡尔阿格普尔分校化学工程系，西孟加拉邦卡尔阿格普尔，721302，印度
摘要
粉煤灰是发电厂的工业副产品，会污染环境。为了制备从粉煤灰中提取的沸石，将无水粉煤灰与氢氧化钠（NaOH）以1:1.2、1:1.5和0.83:1的比例混合。混合物分别加热至550°C、750°C和850°C，时间分别为4小时、3小时和2小时，然后重新研磨成细粉，并与去离子水混合充分搅拌。在高压釜中长时间加热后，经过适当的干燥处理以实现精确的活化与结晶，最终得到了NaP、X型沸石、Na-A型沸石和钠长石。通过不同的合成方法和控制参数，获得了这些沸石。通过多种先进的分析方法研究了它们的结构、形态和化学性质。在所合成的沸石中，NaP型沸石对Cd2?和Pb2?的吸附能力最强，其吸附量分别为149.0 mg/g和55.8 mg/g。进行了详细的生命周期评估，以评估生产1公斤NaP型沸石在去除铅和镉方面的环境影响。评估结果显示，去除铅和镉的生态毒性潜力（HTPinf）分别为25.68 kg·1,4-DCB-Eq和28.50 kg·1,4-DCB-Eq，其他环境参数也表明该过程具有环保性和可持续性。这项研究验证了将粉煤灰转化为低成本吸附剂的技术可行性，为废水处理和工业废物管理提供了有前景的可持续解决方案。
引言
有效回收大量工业废物和自然资源对于实现可持续的未来至关重要[1]、[2]、[3]。多年来，包括红泥、高炉渣、煤粉灰（FA）在内的数百万吨各种工业废物在环境中累积，导致了严重的环境问题[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。粉煤灰是发电厂燃烧煤炭产生的副产品，主要从燃烧器上部收集，全球年产量约为8.5亿吨[10]、[11]、[12]、[13]。在印度，73%的电力由热电厂产生，其中90%依赖于煤炭燃烧[14]。每年大约产生2.21亿吨粉煤灰，其中只有约60%被用作原料，主要用于生产水泥、混凝土和催化剂，其余部分则被处置在灰池中[15]、[16]。由于处置场所的缺乏和土地利用效率低下，粉煤灰的处置成为难题。2017年，粉煤灰的消耗量从664万吨增加到1.071亿吨，占其总产量的63.28%[17]。
粉煤灰具有球形结构，具有高孔隙率、低密度和小颗粒尺寸等有利特性[18]。它可以经过化学处理生成类似沸石的结晶化合物[19]。将其作为沸石合成的原料并用作酯交换反应的催化剂，可以有效提升生态平衡，并作为一种经济高效的替代品[20]。
根据ASTM C-618标准，粉煤灰可分为F型和C型两类。两者之间的主要区别在于钙、氧化铝（25–30%）、二氧化硅（60–65%）、磁铁矿（6–15%）和赤铁矿的含量[17]。F型粉煤灰的CaO含量低于10%，而SiO?、Al?O?和Fe?O?含量超过70%；C型粉煤灰的CaO含量超过20%，SiO?、Al?O?和Fe?O?含量在50–70%之间[21]、[22]。
使用2–13 M的氢氧化钠在90–100°C下处理8–48小时，可以生成结晶沸石，主要是X型、P型沸石和氢钠长石[23]。微波辅助合成方法比水热法更容易将粉煤灰转化为Na-A型、4A型和NaP型沸石[24]。这种方法通过碱性熔融溶解和结晶铝和硅，将粉煤灰转化为X型沸石的时间从24小时缩短至2小时[14]、[25]。对于A型沸石的制备，可将粉煤灰与氢氧化钠（约600°C）在无搅拌条件下进行水热处理，生成活性铝硅酸盐凝胶，该凝胶在170–180°C下发生放热反应[17]。虽然这种凝胶无需老化即可成为P型沸石，但经过长时间老化（约12小时）后会产生X型沸石[26]。多项研究表明，通过改进水热和预熔融工艺可以优化粉煤灰沸石的制备。合成二氧化硅可以提高沸石的稳定性、成核能力和混合反应性[27]。
近期研究主要集中在从粉煤灰合成沸石上，特别关注其催化和吸附性能[28]、[29]、[30]、[31]。Bhandari等人确定了从粉煤灰合成X型和A型沸石的最佳参数：氢氧化钠与粉煤灰的比例为1:1.5，熔融温度为550°C，水热处理时间为8小时[32]。许多研究采用碱熔融、超声波和水热技术从粉煤灰合成沸石，以最大化其结晶度、比表面积和相选择性。以往的研究通常只采用一种合成方法，并通过少数材料性质（如BET比表面积或CEC）来分析性能，而没有深入关联合成策略、结构和吸附性能。一些具有相似比表面积的沸石相具有更高的重金属吸附能力，但具体工艺尚不清楚。本研究利用结构-性质-性能相关性来解释不同沸石相（NaP、X型、Na-A型沸石和钠长石）对Cd2?和Pb2?的吸附效果。典型的应用包括使用粉煤灰合成A型[33]、X型[34]、P1型[36]、X型[37]和P型[38]沸石。NaP型、X型、Na-A型沸石和钠长石独特的结构和理化性质使其具有生产成本低、可回收性强和金属去除效果优异等优点。各合成途径的优势在表S1（补充信息）中进行了详细说明。
沸石能够容纳的最大总阳离子数量及其与周围介质中阳离子的交换能力称为阳离子交换容量（CEC），单位为meq/100 g干样品[22]、[24]、[39]。提高CEC的沸石具有重大意义。Berkgaut等人使用该方法从CFA合成沸石，将Na?替换为NH??，测得CEC为5.78–6.12 meq/g[40]。
粉煤灰的主要成分包括钛、二氧化硅、钠、镁以及钙、赤铁矿、钾和氧化铝的氧化物，这些成分可能具有毒性[41]、[42]。由于沸石具有不同的晶体结构、较高的比表面积和离子交换能力，因此被广泛应用于催化和材料合成领域。它们通过离子交换软化水，作为洗涤剂添加剂，并作为高效的污染控制和废水处理吸附剂[43]、[44]、[45]。合成沸石已被证明能有效去除废水中的铅（Pb2?）、镉（Cd2?）等重金属[46]、[47]。这些金属在食物链中的存在对人类健康构成严重威胁[48]。因此，具有高阳离子交换能力的沸石是吸附废水中的Cd2?和Pb2?的有效解决方案[49]、[50]。
生命周期影响评估（LCA）是“环境管理工具箱”的重要组成部分，用于分析过程的全球可持续性[51]、[52]。许多研究利用OpenLCA软件和ecoinvent数据库评估各种过程和产品类别的环境影响[53]。Gonzalez等人对一种基于纳米材料的吸附剂去除废水中的镉进行了LCA分析[54]。Chiew等人发表了关于海藻酸盐基纳米复合珠去除废水中的Pb2?的LCA研究[55]。然而，很少有研究将物理处理与LCA评估相结合。为了改进批量吸附过程并提供清洁水源，还需要进一步的环境影响评估。本研究旨在将现有的吸附技术应用于工业规模，以实现环境效益[56]。LCA有助于评估材料性能和环境可持续性，促进粉煤灰衍生沸石的可持续设计[57]、[58]。
据作者所知，目前文献中尚未有关于使用粉煤灰制备催化剂去除铅和镉的研究，也未对其环境影响进行LCA评估。本研究通过水热法和超声波处理合成沸石，并结合了无水氢氧化钠的预熔融步骤，旨在评估其制备高纯度沸石的效果。本研究的主要目标是使用酸处理后的粉煤灰经过煅烧后合成沸石，并研究合成条件对最终产品结晶度的影响。使用XRF、近似分析和ultimate分析、XRD、SEM-EDS、FTIR、PSD、TGA和BET等方法对所得材料进行了表征。此外，还对粉煤灰及其四种合成沸石样品的CEC和吸附能力进行了测试。还进行了从摇篮到大门（cradle-to-gate）的LCA评估，以评估整个过程的可持续性。结果表明，NaP型沸石在去除Cd2?（149.0 mg/g）和Pb2?（55.8 mg/g）方面具有最高的吸附能力。同时，NaP型沸石在去除铅和镉方面的生态毒性潜力最小（HTPinf分别为25.68 kg·1,4-DCB-Eq和28.50 kg·1,4-DCB-Eq），表明其是最有优势的沸石类型。
材料
材料
粉煤灰样品购自印度西孟加拉邦奥里萨金属有限公司（Orissa Metaliks Private Ltd.）的密封聚乙烯袋中。所有使用的化学品均为分析纯度，按原样使用，无需额外纯化：使用的无水氢氧化钠（NaOH）购自Merck Life Science Pvt. Ltd.；使用的氢氧化铝（NaAlO?）作为铝源，来自Sigma-Aldrich公司。
粉煤灰的化学成分分析
根据X射线荧光（XRF）分析，表2展示了原始粉煤灰的化学成分。粉煤灰的主要成分是氧化铁（Fe?O?）、氧化铝（Al?O?）和二氧化硅（SiO?）。分析结果表明，本研究使用的粉煤灰属于F型（ASTM C618），因为SiO?、Al?O?和Fe?O?的累积含量为71.29%。本研究使用的原始粉煤灰的SiO?/Al?O?摩尔比约为……
结论
本研究分别通过碱性水热法、酸辅助碱性熔融法、一步碱性熔融法和超声波辅助沸石合成法制备了NaP型、X型、Na-A型沸石和钠长石。原料的处理参数和浓度有助于提高沸石化程度。X型沸石的比表面积（610.49 m2/g）显著高于其他类型的沸石和粉煤灰，使其更适合用于催化过程。
作者贡献声明
维卡斯·库马尔·辛格（Vikas Kumar Singh）：负责撰写初稿、可视化处理、验证、方法论设计、数据分析及概念构建。
阿贝什·查特吉（Abesh Chatterjee）：负责撰写、审稿和编辑工作。
索乌门·潘达（Soumen Panda）：负责撰写、审稿和软件操作。
波拉米·哈兹拉（Poulami Hazra）：负责撰写、审稿。
B.C. 米卡普（B.C. Meikap）：负责撰写、审稿、监督项目实施。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢印度理工学院卡尔阿格普尔分校化学工程系提供的必要支持，使本研究得以顺利进行。
