红壤资源回收合成用于重金属去除的 Fe2O3/FAU型沸石复合材料

摘要

本文介绍了一种利用红壤合成Fe₂O₃/沸石-型（FAU型）沸石复合材料的新型且便捷的方法。详细的合成参数已经过精确优化。所获得的复合材料可用于高效修复重金属污染的水体，表明其在环境工程领域具有潜在应用价值。

摘要

重金属污染的水体对人类健康和生态环境构成严重威胁。In situ 水修复技术依赖于高效吸附材料，在此类情况下具有重要意义。在所有用于水体修复的材料中，铁基纳米材料和多孔材料因其丰富的氧化还原反应性和吸附功能而备受关注。本文中，我们开发了一种简便的方法，可直接将中国南方广泛分布的红壤转化为 Fe₂O₃/沸石型方钠石（FAU 型）沸石复合材料。

已对详细的合成步骤和合成参数（如反应温度、反应时间以及原料中的硅铝比）进行了精细调控。所制备的复合材料对典型重金属（类）离子表现出良好的吸附能力。当向不同重金属（类）污染的水溶液中加入0.001 g/mL的Fe₂O₃/FAU型沸石复合材料（单一重金属（类）离子初始浓度：1,000 mg/L [ppm]）时，其对Cu (II)、Cr (III)、Cr (VI)、As (III)、Cd (II)、Pb (II)、Zn (II)和Ni (II)的去除吸附容量分别为172、45、170、40、429、693、94和133 mg/g，该材料可进一步拓展应用于重金属污染的水体与土壤修复。

引言

来自人为活动和自然过程的重金属（类）在空气、水和土壤环境中普遍存在¹。这些重金属（类）具有高迁移性和毒性，可通过直接接触或通过食物链传递，对人类健康构成潜在威胁²。水是人类生命赖以生存的基础资源，是每个家庭的基本生活必需品。恢复水体健康至关重要。因此，降低有毒重金属（类）在水中的迁移性和生物可利用性具有重要意义。为了维持良好的水质，水修复材料（如生物炭、铁基材料和沸石）在固定或去除水环境中重金属（类）方面发挥着关键作用^3,4,5。

沸石是一类高度结晶的材料，其晶体结构中具有独特的孔道和通道。它们由TO₄四面体（T为中心原子，通常为Si、Al或P）通过共享氧原子连接而成。由于其孔道中存在负表面电荷和可交换离子，沸石成为一种广泛用于离子捕获的吸附剂，在重金属污染的水体和土壤修复中得到了广泛应用。得益于其结构特性，沸石去除污染物的主要修复机制包括化学键合⁶、表面静电相互作用⁷以及离子交换⁸。

方案

1. 原材料的采集与处理

1. 红壤采集
   1. 采集红壤样品，去除含有植物和残留有机质的表层30 cm土壤。
      注：本实验所用红壤采自中国广东省深圳市南方科技大学（SUSTech）校园内（113°59' E，22°36' N）。
2. 红壤处理
   1. 将采集的红壤在室温下风干，并通过30目筛进行过滤，去除大部分较大的石块和叶片。使用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）¹⁶测定红壤中重金属（类）浓度（表1），以确保未引入意外污染。
      注：建议使用孔径较小的筛网，因为原料中含有的大颗粒非硅或非铝物质较少。本实验中，30目筛网已足以处理原料。

2. Fe₂O₃/FAU型沸石的合成

1. 碱混合物粉末的制备
   1. 称取5 g预处理的红土、1 g SiO₂ 和7.63 g NaOH，加入天然玛瑙研钵中，研磨2–3分钟至细粉。确保实验室相对湿度为65%–72%。
      注意：需注意研磨时间，因为NaOH具有强吸湿性，易从空气中吸收水分。中等湿度的碱性粉末对实验的下一....

结果

图1展示了基于“以土治土”策略合成沸石的整体路线⁶。通过一种简单的无有机物方法，无需额外添加任何铁或铝源，即可将红壤转化为Fe₂O₃/FAU型沸石复合材料。所合成的沸石复合材料对重金属污染水体具有优异的去除能力，可用于土壤修复。

图2展示了红壤的XRF分析结果。红壤的主要成分为SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃。

图3展示了FAU型沸石骨架和Fe₂O₃的晶体结构。FAU型沸石属于立方晶系，空间群为Fd-3m，晶胞参数a = 24.3450 Å。FAU型沸石的骨架由三维的十二元.......

讨论

沸石通常是一种铝硅酸盐材料。理论上，可选择富含硅酸盐和铝酸盐的材料作为沸石合成的原料。原料的 Si/Al 比例应与所选沸石类型的 Si/Al 比例相近，以尽量减少额外硅源或铝源的使用^6,8,16。FAU型沸石的 Si/Al 比例为 1.2，而红壤的 Si/Al 比例为 1.3。因此，红壤是合成 FAU 型沸石的理想硅源和铝源。然而，在本方法中，并非红壤中所有的 SiO₂ 都能成功转化为沸石。在我们的实验方案中，沸石合成仍需额外 SiO₂ 。此外，由于红壤中含有 7.65 wt% 的 Fe₂O₃，在复合材料制备过程中无需额外添加铁源。

在碱激发步骤之前，必须将 NaOH、SiO₂ 和红壤充分混合。混合物中若存在较大颗粒，可能会对激发效率产生不利影响。搅拌时间在合成过程中是.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
化学品
四水合硝酸镉	上海阿拉丁生化科技股份有限公司	C102676	分析纯，99%。用于制备1,000 ppm 储备液，以测试沸石的吸附性能。
九水合硝酸铬(III)	上海阿拉丁生化科技股份有限公司	C116446	分析纯，99%。用于制备1,000 ppm 储备液，以测试沸石的吸附性能。
五水合硫酸铜	上海阿拉丁生化科技股份有限公司	C112396	分析纯，99%。用于制备1,000 ppm 储备液，以测试沸石的吸附性能。
硝酸铅	上海阿拉丁生化科技股份有限公司	L112118	分析纯，99%。用于制备1,000 ppm储备液，以测试沸石的吸附性能。
六水合硝酸镍	上海阿拉丁生化科技股份有限公司	N108891	分析纯，98%。用于制备1,000 ppm 储备液，以测试沸石的吸附性能。
硝酸	上海阿拉丁生化科技股份有限公司	N116238	分析纯，69.2%。用作ICP-MS测试中的溶剂。
重铬酸钾	上海阿拉丁生化科技股份有限公司	P112163	分析纯，99.8%。用于制备1,000 ppm 储备液，以测试沸石的吸附性能。
二氧化硅	上海阿拉丁生化科技股份有限公司	S116482	分析纯，99%。用于沸石的合成。
亚砷酸钠	Sigma-aldrich	S7400-100G	分析纯，90%。用于制备1,000 ppm储备液，以测试沸石的吸附性能。
氢氧化钠	上海阿拉丁生化科技股份有限公司	S111502	颗粒状。用于沸石的合成。
六水合硝酸锌	上海阿拉丁生化科技股份有限公司	Z111703	分析纯，99%。用于制备1,000 ppm 储备液，以测试沸石的吸附性能。
仪器设备
鼓风干燥箱	上海一恒科技仪器有限公司	DHG-9075A	用于样品的水热晶化及干燥
分析天平	赛多利斯科学仪器有限公司	BSA224S-CW	用于样品称量
离心管	南通苏品实验设备有限公司
高速离心机	湖南湘仪实验室仪器开发有限公司	H1850	用于固液样品的分离
多点磁力搅拌器	IKA Equipment Co.,LTD.	RT15	用于样品搅拌
振荡器	常州国华电器有限公司	SHA-B	用于样品的均匀混合
注射器式滤器	天津津腾实验设备有限公司		0.22 μm。用于过滤。
软件
JADE 6.5	Materials Data& (MDI)
Mercury	剑桥晶体学数据中心（CCDC）
Materials Studio	Accelrys Software Inc.
网站
沸石结构数据库：http://www.iza-structure.org/databases/
ICSD：https://icsd.products.fiz-karlsruhe.de/en