利用从锂瓷土尾矿中提取的沸石修复矿区中被Pb2+污染的地下水

《Journal of Environmental Management》：Remediation of Pb2+-contaminated groundwater in mining areas using zeolite derived from lithium porcelain clay tailings

铅污染治理与尾矿资源化利用：锂瓷土尾矿制备高结晶钠沸石吸附材料及其再生机制研究

　　

李泰家|何贵春|刘梦飞|曹志文|闵杰

江西省战略性金属矿产资源低碳加工与利用重点实验室，中国赣州，341000

摘要

矿山尾矿的管理和铅（Pb）污染的治理是全球面临的重大挑战。本研究提出了一种可持续的方法，即将锂瓷土尾矿（LPCT）转化为高结晶度的钠沸石，以有效去除Pb²⁺。优化了合成条件，并阐明了其结构演变机制：四元环 → 六元环 → β-笼 → 沸石超笼 → 结晶沸石。合成的沸石表现出较高的Pb²⁺吸附能力，达到584.12 mg/g，去除效率为99.7%。在实际矿区地下水中，该沸石的Pb²⁺去除率超过99%，分配系数（K_d）高达3.3 × 10⁵ mL/g，显示出优异的选择性。机理研究表明，离子交换是主要的吸附机制（贡献约78%），同时还有静电相互作用和表面络合作用。该沸石结构稳定，使用1 M NaCl可以有效再生，连续五次循环后仍保持较高的吸附能力（>85%）。初步的环境效益分析表明，这种“废物转资源”的方法不仅减少了尾矿处理量，而且与传统的沸石和活性炭相比，在合成过程中碳足迹显著降低，突显了其循环经济和环保优势。本文进一步讨论了该技术工业化应用的潜力与挑战。这项工作为尾矿增值和有效去除Pb²⁺污染水提供了一种双重效益的策略。

引言

重金属污染，尤其是铅（Pb）污染，由于其持久性和毒性，对生态系统和人类健康构成严重威胁（Saravanan等人，2024年）。长期暴露于铅与心血管和肾脏疾病有关，是全球死亡率的显著原因（Staessen等人，2020年）。严格的法规，如世界卫生组织规定的饮用水中铅含量不得超过0.01 mg/L，凸显了高效去除Pb²⁺技术的紧迫性（He等人，2021年）。虽然有沉淀和过滤等传统方法，但它们往往成本高昂、效率低下或会引起二次污染（An等人，2022年；Xu和Yi，2022年）。吸附法因其简单性、成本效益和潜在的高效率而成为一种有前景的替代方案（Ma等人，2024年）。

沸石凭借其微孔结构、高比表面积和阳离子交换能力，是有效的重金属吸附剂（Yang等人，2022年）。然而，合成沸石的广泛应用常常受到生产成本的限制（Collins等人，2020年）。利用富含铝硅酸盐的固体废物（如矿山尾矿）来合成沸石，可以降低成本并解决废物管理问题（Xie和van Zyl，2020年）。全球每年产生数十亿吨尾矿，通过土地使用和潜在的储存问题对环境构成风险（Hudson-Edwards等人，2024年）。因此，将这些尾矿重新利用为高附加值材料（如沸石）具有很高的吸引力。

中国江西省富含锂粘土资源，生产大量的LPCT。这些尾矿主要由SiO₂和Al₂O₃组成，是合成沸石的理想硅源和铝源（Xie等人，2024年）。先前的研究表明，两步工艺（碱熔融后进行水热处理）可以有效将这些废物转化为高结晶度的沸石，在反应时间和转化效率方面具有优势（Cheng等人，2024年）。实现高结晶度对于保持稳定的性能至关重要，这依赖于对结晶过程的精确理解（Yamada等人，2019年）。沸石的生长机制涉及铝硅酸盐物种的复杂聚合和重排，但对于尾矿衍生系统而言，相关细节往往缺乏，阻碍了可控合成（Deguchi等人，2018年；Muraoka等人，2019年）。

本研究报道了通过两步法从LPCT合成钠沸石的过程。优化了关键合成参数以实现高结晶度。通过监测结构演变系统地研究了结晶机制。此外，全面评估了合成沸石对Pb²⁺的吸附性能和机理，包括在实际矿区地下水中的测试和再生研究，证明了其在环境修复中的实际潜力。从废物增值、生命周期效益和技术可行性的角度来看，本文评估了这种“废物处理废物”策略的环境协同效应和工业应用潜力，为固体废物增值和重金属污染控制提供了创新和可持续的解决方案。

实验材料

使用X射线荧光光谱仪（ARL QUANT'X，Thermo Fisher Scientific，美国）分析了来自中国江西省宜春市的LPCT的化学成分。如表1所示，LPCT主要由SiO₂（66.71 wt%）和Al₂O₃（11.72 wt%）组成，符合沸石合成的成分要求。本研究中使用的化学试剂包括钠铝酸盐（NaAlO₂）、氢氧化钠（NaOH）、硝酸铅（Pb(NO₃)₂和氯化钠（NaCl）。

钠沸石的制备与表征

通过碱熔融辅助的水热法成功从LPCT合成了高纯度的钠沸石，具体过程如图S1所示。该过程将黄棕色尾矿转化为白色结晶粉末。原始LPCT和合成沸石的元素组成见表1。LPCT主要由SiO₂（61.32%）和Al₂O₃（17.11%）组成，为沸石合成提供了丰富的硅和铝来源。

综合讨论、意义与展望

LPCT成功转化为高性能钠沸石及其在Pb²⁺修复中的典范应用，标志着向综合环境管理迈出了重要一步。这项工作展示了一种闭环策略，不仅解决了固体废物增值的问题，还为水体重金属污染提供了有效的解决方案。通过碱熔融-水热途径合成的材料表现出优异的性能。

结论

总结来说，成功从锂瓷土尾矿中合成了钠沸石。合成的沸石具有高结晶度、较大的比表面积和良好的热稳定性。最佳合成条件确定为：碱熔融温度700°C、碱度2.5 M、Si/Al比1.5、老化时间24小时、水热温度80°C以及水热时间6小时。通过XRD和SEM研究了晶体生长机制。

CRediT作者贡献声明

李泰家：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，监督，数据管理。何贵春：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究，概念构思。刘梦飞：数据可视化，实验研究。曹志文：监督。闵杰：软件开发。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本文得到了国家重点研发计划（编号：2023YFC2908200）的支持。