《Process Safety and Environmental Protection》：Engineering Co-Ni Oxygen Vacancies for Enhanced Singlet Oxygen-Mediated 2,4-Dichlorophenol Degradation
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铝基净水处理污泥经玉米淀粉辅助烧结制备高性能陶瓷膜，优化烧结温度（1050℃）与淀粉含量（30%），获得孔隙率39.5%、水通量13.5 LMH/kPa的膜材，其莫来石-石英相结构有效固定重金属并提升过滤效能，生命周期评估显示减排42%能耗35%。
蒲莉|吴坤波|苏文豪|陈志明|芮国芬|彭明国|滕杰
常州市大学城市建设学院，中国常州市213164
摘要
在饮用水处理中广泛使用铝基混凝剂会产生富含铝的污泥，这给污泥处理带来了巨大的挑战并带来了环境风险。本研究提出了一种新的增值方法，将这种废物转化为高性能陶瓷膜，从而解决了污泥管理和膜生产成本的问题。通过对污泥的初步全面表征，优化了制备参数，系统评估了烧结温度（900-1200℃）和成孔剂浓度（0-30%玉米淀粉）。最佳条件（在1050℃下烧结并添加30%淀粉）制备出的膜具有39.5%的孔隙率和出色的水渗透性（13.5 LMH/kPa）。微观结构分析表明，淀粉的热解促进了相互连接的多孔网络的形成，而铝硅酸盐基质转变为稳定的莫来石-石英相，有效固定了重金属并提高了过滤效率。生命周期评估显示，与传统膜生产方法相比，该方法显著降低了全球变暖潜力（42%）和一次能源需求（35%），突显了这种可持续方法的创新性和必要性。
引言
混凝是一种常用的水处理工艺，广泛应用于饮用水净化（Cui等人，2020年；Hughes，2001年），通常使用铝基混凝剂去除悬浮固体。然而，这一过程会产生大量富含铝的污泥（García-ávila等人，2025年），其中铝含量介于10%到20%之间（Ye等人，2021年）。直接填埋这些污泥不仅浪费了宝贵的资源，还可能由于其中含有重金属和其他有毒物质而带来环境风险（Dronjak等人，2022年；Wang等人，2025年）。
在膜分离技术中，陶瓷膜相比有机聚合物膜具有明显的优势，包括更好的化学稳定性、更高的亲水性和对酸、碱及有机溶剂的优异抵抗力。这些特性延长了其使用寿命（Cheng等人，2024年；Lee等人，2023年），大大降低了更换频率和运营维护成本。然而，相对较高的生产成本限制了陶瓷膜在水和废水处理中的广泛应用。为此，低成本的替代材料（如污泥衍生材料、工业副产品和天然矿物）作为可持续膜材料受到了越来越多的关注（Gao等人，2024年；Jeong等人，2017年；Zhang等人，2017年）。
许多研究人员尝试使用各种水污泥来制备陶瓷膜。例如，Chen等人（2020年）成功地从含有重金属的污泥中制备出了陶瓷膜，并证明了烧结过程中形成了稳定的尖晶石结构。后续研究证实，烧结过程有效地将重金属固定在硅铝酸盐晶相中，实现了污泥的增值和重金属的稳定（Fu等人，2022年）。这些发现共同证明了将污泥转化为功能性陶瓷膜的技术可行性。
饮用水处理污泥（DWTS）的化学成分与传统陶瓷膜原材料相似，因此可以直接转化为陶瓷膜而无需复杂的预处理。与传统陶瓷原料（如高岭土或氧化铝）相比，DWTS具有独特的矿物学特性，有利于陶瓷膜的制备（Lin等人，2020年）。在烧结过程中，污泥中的氧化铝（Al2O3）和二氧化硅（SiO2）发生熔化和氧化还原反应，形成硅铝酸盐晶相。这些是高温烧结过程中形成莫来石的关键前体。同时，有机物和挥发性化合物分解并氧化，有助于形成稳定的多孔膜微观结构（Choudhury等人，2018年）。
在本研究中，饮用水处理污泥被重新用作制备陶瓷膜的低成本原料，并添加了玉米淀粉作为成孔剂以优化膜微观结构。系统评估了烧结引起的收缩行为，并使用XRD和SEM对烧结后的膜进行了表征。随后评估了膜的过滤性能和重金属浸出行为。此外，还进行了生命周期评估（LCA），以评估膜制备过程的环境可行性。本研究不仅为DWTS的增值提供了可持续策略，还展示了一种经济高效的陶瓷膜生产方法，实现了资源的回收和饮用水处理污泥的高价值利用。所开发的基于污泥的陶瓷膜适用于饮用水处理的预处理、工业废水的过滤，以及可能作为微滤/超滤膜的支撑层。其高渗透性和抗污染性能使其特别适合去除悬浮固体和天然有机物。
材料
富含铝的污泥来自中国深圳的龙华饮用水处理厂，是通过添加铝基混凝剂进行混凝处理产生的。玉米淀粉（成孔剂）购自无锡亚泰联合化工有限公司。腐殖酸（HA）、浓硫酸（H2SO4）和硝酸（HNO3）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。氢氧化钠（NaOH）购自中国山东科源生化有限公司。
污泥的表征
原材料的性质如图2所示。研磨后的污泥粉末（图2a）具有适合陶瓷加工的理想粒径分布。XRD分析（图2b）确认了主要的晶相为石英和高岭石，这两种物质都因其热稳定性和改变熔融行为的特性而有利于膜的形成（Muazu & Norhayati，2023年）。图2.c中的SEM图像展示了富含铝的污泥的形态和微观结构。
结论
本研究通过协同利用富含铝的饮用水处理污泥，成功制备出了高性能陶瓷膜。系统优化表明，1050℃的烧结温度和30%的淀粉添加量是最佳条件，制备出的膜具有39.5%的表观孔隙率、42.2%的吸水能力和良好的机械性能。烧结过程形成了稳定的莫来石-石英晶相网络，同时控制了淀粉的用量。
未引用的参考文献
(Buchheim等人，2019年；China，2007年；China，2002年；Gao等人，2020年；Khawas和Deka，2017年；Li等人，2021年；Li等人，2025年；Mei等人，2018年；NEPA，2019年；Orlov等人，2020年；Pineda-Gomez等人，2021年；Ptá?ek等人，2011年；Ridhwan等人，2017年；Samadi等人，2022年；Schneider等人，2008年；Surya等人，2026年；Vishwajith等人，2022年；Wang等人，2023年；Xue和Huang，2013年；Yanu等人，2020年；Yi和W，2017年；Zhang等人，2022年；Zhao等人，2021年)
CRediT作者贡献声明
蒲莉：撰写——初稿撰写、实验研究、数据分析。吴坤波：实验研究、数据管理。苏文豪：数据管理。陈志明：实验研究。芮国芬：数据管理。彭明国：项目监督、项目管理。滕杰：撰写——审稿与编辑、方法学设计。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（52400150和52400069）、江苏省自然科学基金（BK20240984）、常州市科技计划-应用基础研究（CJ20240050）、常州市领军创新人才引进与培养计划（CQ20240126）以及江苏省研究生研究与实践创新计划（SJCX25_1678）的财政支持。
