《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Unlocking the Adsorption Potential of Waterworks Waste: Fe-BTC-Coated Aluminum Sludge-Based Materials for Efficient Phosphate Capture
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高效磷吸附材料Fe-BTC@HA-AIS0.3的制备及其机制研究。通过热处理酸活化铝渣（HA-AIS）与铁基MOF（Fe-BTC）复合，显著提升材料比表面积（481 m2/g）和磷吸附容量（33.6 mg/g），协同作用克服单一组分性能局限，吸附机制以化学配位为主，物理吸附为辅，同时验证材料循环稳定性与抗干扰能力。
普马克西尔·普（Maxueer Pu）|王新源（Xinyuan Wang）|刘晓宇（Xiaoyu Liu）|高亚军（Yajun Gao）|吕璐雪（Luxue Lv）|朱明业（Mingye Zhu）|陈爱霞（Aixia Chen）|魏晓（Xiao Wei）
中国西安长安大学水资源与环境学院，邮编710054
摘要
为同时解决将铝污泥作为资源加以利用和减轻磷污染的问题，最初开发了热处理酸活化铝污泥（HA-AIS）。由于铝污泥成分复杂，其在水处理厂的利用率较低。在此基础上，为了进一步克服酸活化后比表面积和孔结构减小导致的吸附性能限制，通过将高孔隙率的铁基MOF材料（Fe-BTC）与HA-AIS结合，合成了一种新型吸附剂Fe-BTC@HA-AIS0.3。实验结果表明，Fe-BTC纳米晶体成功包覆在HA-AIS表面，其比表面积和总孔体积分别显著提高至481 m2/g和0.42 cm3/g，磷酸盐吸附容量达到33.6 mg/g。基于动力学和热力学分析，吸附过程主要由化学吸附主导，物理吸附也起到一定作用。表征分析进一步揭示，主要机制是磷酸根阴离子与金属离子（Fe3+/Al3+）在活性位点上的配位作用，并形成稳定的复合物。此外，孔隙填充和表面沉积也促进了吸附过程。抗干扰实验和金属离子溶解实验表明，该复合材料具有良好的稳定性。这项工作不仅为磷污染治理提供了一种有前景的技术，还实现了利用低成本原材料、促进绿色可持续发展并实现优异性能的双赢策略。研究成果具有重要的环境效益和应用价值。
引言
城市化进程和不断增长的水资源需求推动了水处理厂处理能力的大幅提升（Yang等，2023；Zhao等，2026）。在净化过程中，广泛使用铝基混凝剂不可避免地产生了大量副产品——铝污泥（以下简称AIS）（Benalia等，2024）。全球每天产生的AIS量已超过10,000公吨（Yang等，2024），主要处置方法为卫生填埋或直接排放到排水系统（He等，2024）。这些方法不仅消耗大量土地资源，还因AIS中的有机物、金属氧化物和微量污染物而存在严重污染土壤和地下水的风险（Bhusal等，2025；Vishwajith等，2022）。因此，开发绿色且经济高效的AIS处理技术已成为当务之急。
铝污泥因其富含铝（Al）、铁（Fe）和其他化合物（Krause和Bronstein，2024）而逐渐被视为一种资源丰富的废弃物。其回收和增值已在多种应用中得到探索，包括铝盐回收、纳米复合材料合成和建筑材料制造，从而显著推动了循环经济的发展（Liu等，2020；Lu等，2026）。值得注意的是，AIS在水处理中的应用受到了广泛关注。其主要矿物相——水合氧化铝（Paj?k，2023）具有优异的吸附性能，其多孔结构和表面反应性使其对阴离子污染物具有很强的亲和力（Hou等，2018）。这使得AIS成为高效去除氮、磷等营养物质以及重金属的理想材料（Shrestha等，2020）。
磷是可持续作物生产的重要养分（Everaert等，2021）。然而，通过径流的无控制流失加剧了水生富营养化问题，成为日益严重的环境挑战（Wildemeersch等，2022）。在各种修复策略中，吸附技术因其操作简便、经济高效和环境友好性而成为首选（Kuo等，2023）。铝污泥中的大量铝铁化合物可通过配体交换或静电作用与水中的磷酸根结合（Shi等，2023）。因此，如果能有效利用铝污泥捕获磷酸根，不仅可以提高固体废物的资源利用率，还能减轻磷污染，最终实现“以废治废、变废为宝”的目标。
然而，原始AIS的复杂性，尤其是其中的有机杂质，会阻塞污染物结合位点（Jia等，2026），从而严重限制其磷酸根吸附性能。因此，AIS的纯化和改性成为提高其吸附能力的关键研究方向（Jeon等，2018）。迄今为止，已经研究了多种纯化和改性方法，包括热处理、酸碱修饰以及加载其他金属氧化物。然而，每种方法都有明显的局限性。例如，热裂解可以有效去除AIS中的有机杂质，但高温会导致孔结构破坏，使得磷酸根吸附容量仅约为1.7 mg/g（Nguyen等，2023）。酸修饰可使污泥的比表面积提高2.44倍（Chantaramanee等，2023），但物理结构的改善仍不足以满足高吸附容量的要求。虽然加载铈（Ce）等金属可使吸附性能提高一倍，但由于加载效率有限，绝对吸附容量仍然较低（Chen等，2023a）。在之前的研究中，我们通过热处理和化学活化结合制备了热处理酸活化铝污泥（HA-AIS）。尽管这种方法有效去除了杂质并将磷酸根吸附容量提高到18.3 mg/g（比未经处理的污泥提高了2.4倍），但比表面积和孔结构实际上有所下降（H-AIS）。这种物理结构的妥协部分抵消了化学性质改善带来的优势，从而成为进一步提高吸附性能的瓶颈。因此，优化基于AIS材料的孔结构和表面物理特性以突破吸附性能成为当前研究的核心挑战。
金属有机框架（MOFs）凭借其出色的孔隙率和长程有序晶体结构，成为调控材料微观结构的理想候选者（Zhang等，2024）。例如，源自废弃物的壳聚糖已成功整合到MOF复合材料中（Peng等，2024；Zhao等，2025）。所得CS@MOF-TPA不仅保留了壳聚糖的活性氨基，还表现出显著提高的比表面积（Wu等，2026b）。此外，MOFs为阴离子污染物的固定提供了丰富的结合位点（Wu等，2025）。在各种MOFs中，Fe-BTC（铁苯-1,3,5-三羧酸）由于在常温条件下合成速度快（Ran等，2026）且无需复杂后处理步骤（Yuan等，2025）而具有显著的成本优势。因此，将Fe-BTC与HA-AIS结合有望弥补后者比表面积小和孔结构不发达的缺陷，从而协同提高其磷酸根吸附能力。目前尚未有关于用Fe-BTC改性热处理酸活化铝污泥的研究。此外，基于AIS的复合材料微观结构变化与磷酸根吸附机制之间的结构-活性关系值得深入研究。
在本研究中，我们开发了一种简单高效的方法将Fe-BTC沉积在HA-AIS颗粒表面。通过优化实验参数，显著提高了复合材料的孔体积和比表面积，从而实现了高效的水中磷酸根捕获。通过多种技术表征和吸附实验相结合，研究了材料微观结构与其磷酸根吸附性能之间的关联。动力学和热力学研究以及吸附活化能的计算有助于阐明磷酸根去除的机制。此外，还通过抗干扰测试评估了材料的稳定性。这项工作不仅提出了一种制备基于AIS的吸附剂的新方法，还为进一步探索和实际应用AIS在磷吸附领域奠定了坚实的理论基础。
部分内容摘要
化学物质和材料
化学物质和材料的详细信息见附录S1。
材料制备
Fe-BTC@HA-AISx的合成（图1）：基于改进的文献方法（Han等，2019；Horcajada等，2007），合成了Fe-BTC涂层的HA-AIS复合材料（Fe-BTC@HA-AISx）。具体步骤如下：
准备溶液1：将0.508 g FeCl3·6H2O与不同质量的HA-AIS（0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g和0.5 g）加入10 g去离子水中。
材料优化
系统研究了不同HA-AIS掺量和涂层时间对Fe-BTC@HA-AISx合成和磷酸根吸附性能的影响。如图2(a)所示，当HA-AIS掺量为0.3 g时，达到最佳吸附性能（28.3 mg/g）。低于此阈值时（<0.3 g），吸附容量与HA-AIS含量呈正相关，表明在此范围内HA-AIS对磷酸根吸附的贡献大于Fe-BTC
可回收性研究
Fe-BTC@HA-AIS0.3的循环再生性能见图S4。经过五次吸附和再生循环后，材料的磷酸根吸附容量略有下降，但仍保持在18 mg/g的水平。结合吸附前后材料的SEM表征结果，这种性能下降主要归因于材料表面孔结构的显著变化
结论
本研究通过创新地将铝污泥的资源利用与金属有机框架（MOF）材料相结合，成功制备了一种新型复合材料（Fe-BTC@HA-AIS0.3），其中高孔隙率的Fe-BTC晶体包覆在HA-AIS上。这种结构设计有效解决了HA-AIS材料固有的局限性，特别是其低比表面积和有限的孔体积问题，实现了33.6 mg/g的磷酸根吸附容量。
CRediT作者贡献声明
朱明业（Mingye Zhu）：资源调研。吕璐雪（Luxue Lv）：软件开发。高亚军（Yajun Gao）：数据管理。刘晓宇（Xiaoyu Liu）：方法学设计、概念构思。魏晓（Xiao Wei）：数据可视化、验证。陈爱霞（Aixia Chen）：项目管理、资金筹集、概念构思。王新源（Xinyuan Wang）：验证、资源协调、方法学设计。普马克西尔·普（Maxueer Pu）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、监督、数据分析。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42377060和42207101）和中央高校基本科研业务费（CHD，300102293208）的支持。
