《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Synergistic Valorisation of Red Mud and Biomass: Enhanced Dye Adsorption and Environmental Safety via Co-Pyrolysis for Sustainable Waste Management
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红泥与玉米秸秆共热解制备的复合材料在亚甲基蓝吸附中表现出显著性能提升，最大吸附容量达30.587 mg/g。研究采用动力学模型与吸附-提取联用法揭示协同吸附-降解机制，发现降解贡献率达56%。材料通过静电作用、离子桥接、π-相互作用及官能团配位等多机制实现高效去除，且再生5次后性能稳定，重金属溶出量符合国家标准。该策略实现工业与农业废物的绿色资源化，同步解决废水处理与固体废物堆积问题。
熊丹凌|董翔|张华丽|韩婷婷|张岚|乔宇文|岑启红
中国云南省土壤碳封存与污染控制重点实验室，昆明理工大学环境科学与工程学院，昆明，650500
摘要
本研究通过共热解红泥（RM）和玉米秸秆衍生多孔生物质，制备了一种复合材料，以同时解决纺织染料污染和红泥积累的环境问题。与原始红泥相比，该复合材料的亚甲蓝（MB）吸附效率提高了8.2倍，最大吸附容量达到30.587 mg/g。采用双室一级动力学模型结合顺序吸附-萃取协议，定量分离了吸附和降解过程。降解过程贡献了总MB去除量的56%，表明两者之间存在协同作用。伪二级动力学模型证实化学吸附是主要的去除机制。进一步表征显示，去除机制包括静电吸引、阳离子桥接、阳离子-π相互作用和官能团配位。根据GB/T14848-2017标准进行的浸出风险评估表明，复合材料中的重金属释放量远低于环境安全阈值。此外，该材料在经过五次再生循环后仍保持良好的去除性能，并在真实水体系和多种废水系统中表现出稳定的MB去除效率，显示出良好的稳定性和可重复使用性。通过将材料合成、性能评估和使用后环境风险评估整合到一个统一的框架中，本研究超越了传统上仅关注去除效率的固体废物衍生吸附剂的研究。总体而言，所提出的策略为工业和农业副产品提供了一种可持续的、基于性能的增值途径，实现了废水处理和固体废物升级回收，同时消除了对有害化学添加剂的需求，符合绿色工程和碳中和的目标。
引言
工业废水排放中持久性有机污染物（包括合成染料、抗生素和酚类化合物）的释放构成了严重的环境挑战。亚甲蓝（MB）是一种噻嗪类杂环芳香化合物，具有较低的底物亲和力和较高的水溶性。这种阳离子染料具有较高的环境迁移性，常被用作研究废水系统中合成染料污染的代表性化合物。MB相关的环境和公共卫生问题迫切需要开发有效的处理策略。在现有的处理方法中，吸附技术因操作简单、能源效率高和持续的污染物去除能力而在环境工程研究中受到重视。
红泥（RM）是铝土矿碱法提取氧化铝过程中的固体副产物，富含金属氧化物，具有高碱度和细小颗粒尺寸[1]。它可能释放有害物质，对环境和人类健康构成威胁。然而，作为一种由氧化物和氢氧化物组成的细粒混合物，RM具有强大的污染物去除能力[2]。生物炭（BC）是一种通过在缺氧（厌氧）条件下热解多种原料制成的碳质材料，被广泛认为是废水处理的可持续吸附剂[3]。其表面化学性质可以通过金属掺杂等方式进行系统调节。玉米秸秆芯（髓）提供了独特的大孔纤维素结构，有利于传质和位点可及性[4]，使其特别适合用于吸附[5]。此外，其广泛的可用性和低成本使其成为实用的生物质原料。基于这些互补特性，采用了一种绿色、节能的共热解策略，将玉米髓的层次碳结构与红泥的矿物/碱性特征相结合，制备出具有增强和可调表面性能的多功能RM-BC复合材料，同时有效降低了与RM相关的环境风险。
本研究开发了一种简单的共热解方法，用于制备由玉米秸秆芯改性的生物炭（GRMCs）。预计在共热解过程中，红泥中的含铁矿物（如赤铁矿Fe?O?）在以CO/H?为主的还原气氛中发生价态转变（Fe3? → Fe2?），从而促进磁铁矿（Fe?O?）的形成[6]。同时，红泥作为催化中心促进生物质碳化并生成含氧官能团[7]，从而提高亚甲蓝的去除性能。系统评估了操作参数对MB吸附效率的影响，并详细分析了吸附动力学和平衡等温线。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、ζ电位测量和X射线光电子能谱（XPS）对材料进行了表征，以比较吸附前后其结构变化，研究吸附机制。此外，采用了一种集成的吸附-萃取实验系统来区分MB吸附和降解过程，从而全面阐明污染物去除途径。本研究展示了一种成本效益高的改性策略，通过系统的固体废物增值方法制备了高性能的MB去除材料，实现了工业和农业剩余生物质的可持续资源回收，无需添加额外的化学试剂。
化学物质和材料
红泥（RM）样品来自中国山东的一家铝业公司。本研究使用的玉米秸秆芯（CS）样品来自中国云南省昆明的当地农场。亚甲蓝（MB）和其他化学试剂购自上海阿拉丁生化科技有限公司。实验中使用的所有试剂均为分析级或色谱级。
GRMCs的制备
原始红泥在20-25 ℃下干燥三天，玉米秸秆芯（CS）在105 ℃下烘干24小时。
RMCs的表征
扫描电子显微镜分析用于研究CS、GRM和复合材料（表示为2-1GN）的形态（图1）。如图1c所示，复合材料结合了CS的纤维形态和GRM的颗粒形态。能量分散X射线光谱映射（图1g–i）进一步证实GRM颗粒牢固地附着在CS表面。此外，复合材料的比表面积较大。
结论
本研究通过共热解制备了GRM-CS复合材料（GRMCs），以红泥（RM）作为无机载体，玉米秸秆芯（CS）作为碳前体。所得复合材料在MB去除方面表现出优异的性能，同时实现了工业和农业废物的绿色资源利用，符合碳中和目标。通过结合双室伪一级动力学模型和顺序吸附-萃取协议，
CRediT作者贡献声明
熊丹凌：撰写初稿、正式分析、数据管理、概念构思。董翔：撰写、审稿与编辑、监督、资金筹集、正式分析。张华丽：撰写初稿、可视化、方法研究、数据管理。韩婷婷：验证、研究。张岚：审稿与编辑、验证、监督。乔宇文：监督、方法研究、正式分析。岑启红：监督、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了云南省农业土壤减排与碳封存国际联合实验室项目（项目编号202403AP140037）的支持。作者还感谢云南省土壤碳封存与污染控制重点实验室提供必要的研究材料和实验室设施。
