常压下将富含高岭石的土壤转化为钠长石，用于修复受镉污染的土壤

本文开发了一种新型常压合成方法，利用天然高岭石土壤和家用电饭煲制备出 sodalite，有效降低镉活性，机制为离子交换和化学吸附。

　　

钱正|林彩|周阳天|戴忠阳|魏振华|侯景涛

华中农业大学资源与环境学院，武汉，中国

摘要

镉（Cd）对土壤的污染对公众健康构成了特别严重的威胁。虽然合成沸石在固定镉方面显示出潜力，但其广泛应用受到高材料成本、能耗高的合成过程以及对高压反应器依赖的限制。迄今为止，尚未有研究报道在常压条件下成功将富含高岭土的天然土壤转化为钠长石沸石。本研究通过开发一种新型、低成本且节能的合成方法，仅使用家用电炉在常压下从富含高岭土的土壤中合成钠长石，填补了这一关键空白。与传统的高压水热法相比，该方法在材料成本、设备费用、合成效率和能耗方面具有显著优势。值得注意的是，这种由土壤衍生的钠长石在修复受镉污染的土壤方面表现出色。只需添加0.3%（重量比）的钠长石，土壤中可交换态镉的比例就从43.2%降低到22.6%，转化为Fe-Mn氧化物结合态和残留态，有效降低了镉的迁移性。机制研究表明，Cd²⁺主要通过离子交换反应被锁定在钠长石的骨架中，并部分通过化学吸附作用固定在表面。在镉吸附饱和状态下，离子交换和化学吸附的贡献比例分别约为78.7%和21.3%。总体而言，本研究开发了一种利用天然土壤的常压钠长石合成方法，进一步揭示了土壤资源在沸石合成和土壤修复方面的巨大潜力。

引言

镉（Cd）污染主要由工业废物的非法排放引起，已经渗透到土壤生态系统中，并对食物链产生了负面影响（Setu和Strezov，2025）。镉具有高毒性、不可生物降解性和致癌性。过量摄入镉会导致肾脏、骨骼和呼吸系统的严重损害（Oh等人，2023）。为应对镉污染问题，已经实施了多种修复技术，包括生物修复、电动力学处理、土壤清洗和固化/稳定（Zhang等人，2024）。此外，一些新型材料，包括基于碳、铁的材料、细菌和矿物，也被广泛研究用于降低土壤中镉的迁移性（L??C. Han等人，2025；Lv等人，2025；Zhao等人，2025）。然而，鉴于镉土壤污染带来的严峻挑战，迫切需要高效、环保且经济可行的修复材料。

作为典型的环保材料，人工沸石已被科学验证为限制土壤中镉迁移性的高效钝化剂（Chang等人，2024；Li等人，2024；Xu等人，2024）。然而，目前的沸石合成很大程度上依赖于高纯度的硅铝原料，这大大增加了材料成本（Eskandari等人，2017）。尽管使用了一些廉价的粉煤灰和工业废物，但这些原料中的杂质和有毒成分可能会残留在最终的沸石中，导致结晶度差和二次污染风险（Makgabutlane等人，2020）。在所有类型的硅和铝原料中，土壤资源是一种免费、无毒且丰富的资源，富含铝硅酸盐矿物，可以为沸石合成提供大量的廉价硅和铝原料，从而显著降低材料成本（Yang等人，2021）。然而，将土壤资源转化为沸石材料的潜力至今尚未得到充分探索。此外，目前的沸石结晶合成通常依赖于高压水热条件，这需要使用耐压和耐腐蚀的钢制反应器，从而增加了设备成本、合成难度和安全隐患（C??L. Han等人，2025）。为了替代传统的高压水热法，已经开发了几种创新的合成技术，如紫外线照射、微波加热、固相合成、离子热合成和干胶法（Chen等人，2021，2022；Parnham和Morris，2007；Shu等人，2025；Wu等人，2018）。然而，这些方法大多需要专用且昂贵的设备，或者依赖于特定且价格高昂的有机硅/铝原料和独特的模板剂，增加了沸石合成的复杂性和成本。在这些先进的合成方法中，常压合成因其能够显著提高合成灵活性、简化合成步骤和降低设备成本而备受关注。不幸的是，关于常压合成人工沸石的研究至今仍然非常有限。

在所有类型的沸石中，钠长石（Na₆Al₆Si₆O₂₄·XH₂O）及其衍生物（Na₈Al₆Si₆O₂₄(OH)₂·XH₂O和Na₈Al₆Si₆O₂₄Cl₂·XH₂O）具有最简单的β-笼结构（Esaifan等人，2019；Sazali等人，2022）。与结构复杂的A型、X型和Y型沸石相比，β-笼作为基本结构单元具有更高的结构简单性（Zheng等人，2025a，2025b）。因此，钠长石（β-笼）的结晶条件在天然矿物材料选择和能耗方面更为温和、灵活和适应性强，体现了其易于结晶的显著特点（Fan等人，2025；Kovo等人，2025；Liu等人，2025；Zhang等人，2022）。基于钠长石的结构简单性和温和的结晶条件，理论上可以在常压下实现钠长石的合成。然而，这方面的研究尚未有报道。

尽管人们对低成本和可持续的沸石合成越来越感兴趣，但仍存在一个重要的研究空白：此前没有研究在常压条件下直接将富含高岭土的天然土壤转化为钠长石，而不使用高纯度化学品或专用设备。大多数现有方法依赖于高压水热条件或昂贵的原料，限制了其可扩展性和实际应用性。本研究旨在通过仅使用富含高岭土的天然土壤和简单的电炉，开发一种常压合成钠长石的新方法。作为一种典型的粘土矿物，高岭土在普通土壤中广泛分布，尤其是在中国南部，其Si/Al摩尔比与钠长石相同（Basu和Mookherjee，2021；Zheng等人，2025a）。令人惊讶的是，这种“土壤-钠长石”转化可以通过低成本的电炉在90分钟内完成，这在材料成本、设备费用、合成效率和能耗方面具有显著优势。此外，我们还评估了其在修复受镉污染土壤中的实际效果，从而提供了一种变革性和可获得的土壤修复解决方案。

材料

富含高岭土的土壤采集自深圳市的建筑工地。该土壤的化学分析结果见图S1和表S1。该土壤含有大量的高岭土、SiO₂和Fe₂O₃，其Si/Al摩尔比为1.08，接近钠长石的摩尔比（1.0）。所使用的试剂Cd(NO₃)₂、NaOH、CaCl₂、NaCl和MgCl₂均从Aladdin有限公司购买。此外，还从中国大冶市的农村地区采集了受镉污染的土壤（pH：6.50）。化学分析结果

钠长石的常压合成

钠长石的合成过程简要总结在图1a中。通过简单的混合操作，然后在常压下使用电炉进行开放式加热处理，富含高岭土的土壤被高效转化为钠长石。在碱性加热条件下，高岭土和SiO₂的固有结构被完全或部分破坏，产生了大量的具有增强化学反应性的Si和Al物种（Belviso等人

结论

通过使用免费的富含高岭土的土壤和普通的电炉，本研究提出了迄今为止最简单的常压钠长石合成方法。它提供了一种利用土壤资源和常见加热设备合成钠长石的新途径。与传统合成方法相比，这种常压方法在材料成本、设备费用、合成效率和能耗方面具有显著优势。更重要的是，通过协同效应

作者贡献声明

钱正：撰写——初稿，数据整理，概念构思。林彩：数据整理。周阳天：数据整理。戴忠阳：撰写——审阅与编辑，概念构思。魏振华：撰写——审阅与编辑，资金获取。侯景涛：撰写——审阅与编辑。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（42507039和52471288）、深圳市科技计划（JCYJ20220530115407016）和广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515011026）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢南方科技大学和华中农业大学的宝贵帮助。我们感谢国家自然科学基金（资助编号42507039和52471288）、广东省基础与应用基础研究基金（资助编号2024A1515011026）和深圳市科技计划（资助编号JCYJ20220530115407016）的资助支持。