稻壳硅基吸附剂选择性去除磷石膏浸出液中Fe3+/Al3+的效能与机制研究

本文创新性地利用稻壳源硅材料（Si）及其功能化衍生物（Si-APTS/Si-APTS-CO）实现对磷石膏浸出液中Fe3+/Al3+的高效选择性吸附，为稀土元素（REE）回收工艺提供了关键预处理方案，兼具环境效益与资源化价值。

　　

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Materials and reagents

实验所用稻壳（Oryza sativa）源自巴西圣玛丽亚稻米加工企业。功能化试剂包括3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTS, 99%）、2,6-吡啶二甲酰氯（97%）及N,N-二异丙基乙胺（99.5%），所有溶剂均为分析级。Fe³⁺/Al³⁺吸附实验溶液由硝酸盐配制，实际磷石膏浸出液取自巴西磷肥企业。

Features of rice husk silica and functionalized rice husk silica

通过扫描电镜（SEM）观察发现，原始稻壳硅（Si）呈现典型的多孔不规则结构（图1a-b），而功能化后的Si-APTS和Si-APTS-CO表面出现明显团聚与纹理变化（图1c-f）。X射线能谱（EDS）证实Si-APTS-CO成功引入氮元素（图1g）。比表面积分析显示功能化导致孔径分布变化：Si-APTS微孔增多，Si-APTS-CO中孔更发达（图2a）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）在Si-APTS中检测到氨基特征峰（1560 cm^?1），Si-APTS-CO则出现吡啶环振动峰（1448 cm^?1）和羧基碳氧双键拉伸峰（1745 cm^?1），证实功能基团共价嫁接（图2b）。X射线光电子能谱（XPS）进一步验证Si-APTS-CO中C=O（288.5 eV）和吡啶氮（399.8 eV）的存在（图2c-d）。热重分析表明功能化材料热稳定性提升，Si-APTS-CO在800°C时残炭率高达40%（图2e）。

Conclusions

本研究成功开发了一种基于稻壳硅材料的功能化吸附剂，可选择性去除磷石膏浸出液中的Fe³⁺/Al³⁺离子。表征结果证实APTS与2,6-吡啶二甲酸通过共价键稳定固载于硅骨架上。吸附性能高度依赖pH环境，Fe³⁺在pH=5.0时去除率达30%，Al³⁺在pH=5.5时可达90%。动力学符合伪二级模型，平衡数据符合Freundlich模型。最高吸附容量（q_e）在333 K条件下分别为34.16 mg·g^?1（Fe³⁺，Si-APTS-CO）和32.42 mg·g^?1（Al³⁺，Si-APTS）。功能化使吸附从放热（Si）转为吸热过程（Si-APTS/Si-APTS-CO）。实际浸出液试验证明该材料对REE³⁺无亲和性，确保稀土元素在预处理中零损失。