利用原始和功能化的稻壳二氧化硅选择性去除磷石膏浸出液中的铁（Fe）和铝（Al），作为后续回收稀土元素的预处理步骤

《Separation and Purification Technology》：Selective removal of Fe and Al by raw and functionalized rice husk silicas as a pre-treatment step of phosphogypsum leachates for subsequent recovery of rare earth elements

稀土元素回收中磷酸石膏酸浸出液干扰离子（Fe3+、Al3+）去除效率研究，采用稻壳衍生硅胶及其功能化改性（APTS、APTS-CO）吸附，发现pH依赖性强（Fe3+最优pH5.0，Al3+最优pH5.5），伪二阶动力学模型适用，吸附容量分别为34.16和32.42 mg/g，功能化改变热力学行为且不影响稀土回收。

　　本研究旨在探索一种新的预处理方法，用于从磷石膏（Phosphogypsum, PG）浸出液中去除干扰离子，特别是Fe3?和Al3?。这一预处理步骤对于后续从浸出液中高效回收稀土元素（Rare Earth Elements, REE）至关重要。目前，酸浸法已被证明是回收磷石膏中REE的有效方法，但浸出液通常含有高浓度的干扰离子，如Fe3?和Al3?，这些离子的存在会显著降低后续REE回收过程的选择性和效率。因此，开发一种高效、经济且环保的预处理技术，对于提高REE回收的整体性能具有重要意义。

研究中采用的吸附剂是源自稻壳的二氧化硅材料，分别命名为Si（原始二氧化硅）、Si-APTS（功能化二氧化硅，使用3-氨基丙基三乙氧基硅烷进行修饰）和Si-APTS-CO（进一步使用2,6-吡啶二羧酸进行功能化的二氧化硅）。稻壳作为一种农业废弃物，具有丰富的二氧化硅含量，通常在干重的15%到20%之间，这使其成为一种低成本且可持续的原材料来源。通过化学方法对稻壳进行处理，可以提取出高纯度的二氧化硅，并通过表面修饰进一步提升其吸附性能。

本研究的核心在于探讨这些吸附剂在不同pH条件下的吸附行为。实验结果表明，Fe3?和Al3?的吸附过程对pH值具有显著依赖性。在pH为5.0时，原始二氧化硅（Si）能够去除30%的Fe3?；而在pH为5.5时，功能化二氧化硅（Si-APTS）则可以实现高达90%的Al3?去除率。值得注意的是，Fe3?的吸附速度相对较快，这可能与其在较低pH条件下的高溶解度有关。同时，吸附动力学数据更符合伪二级动力学模型，表明吸附过程可能涉及化学吸附，且吸附速率与表面反应有关。

在吸附平衡方面，实验数据与弗伦德利希模型（Freundlich model）吻合较好，说明吸附过程可能发生在非均质表面上，并且吸附能力随着溶液中金属离子浓度的增加而增强。此外，研究还分析了吸附过程的热力学特性，发现原始二氧化硅（Si）的吸附过程是放热的，而功能化后的二氧化硅（Si-APTS和Si-APTS-CO）则表现出吸热特性。这一现象可能与表面官能团的引入以及吸附过程中能量变化有关，表明功能化处理可以显著改变吸附行为的热力学特征。

吸附容量是衡量吸附剂性能的重要指标，研究发现，在333 K（约60℃）和吸附剂用量为1.5 g/L的条件下，Si-APTS-CO对Fe3?的吸附容量最高，达到34.16 mg/g；而Si-APTS对Al3?的吸附容量则为32.42 mg/g。这些数值表明，功能化处理后的吸附剂在去除特定金属离子方面具有更高的效率。此外，研究还指出，这些吸附剂对REE3?离子没有明显的亲和力，这意味着在预处理过程中不会导致REE的损失，从而确保了后续回收步骤的完整性。

为了验证这些吸附剂在实际条件下的应用潜力，研究团队进一步在真实的磷石膏浸出液中进行了实验。结果表明，这些吸附剂在实际应用中同样表现出良好的性能，能够有效去除Fe3?和Al3?，并保持REE的回收率。这一发现为磷石膏废料的资源化利用提供了新的思路，同时也为其他工业废料中金属离子的去除提供了参考。

本研究的创新点在于采用了一种基于稻壳的二氧化硅吸附剂，并通过功能化处理提高了其对特定金属离子的吸附能力。与传统的吸附剂相比，稻壳衍生的二氧化硅具有来源广泛、成本低廉、可再生性强等优势，符合可持续发展的理念。此外，功能化处理使吸附剂能够针对特定的干扰离子进行优化，提高了其选择性和吸附效率。这一方法不仅有助于提高REE回收的整体效率，还能有效减少对环境的影响，为工业废料的绿色处理提供了一种可行的解决方案。

在实际应用中，吸附剂的选择和使用条件对去除效率具有重要影响。例如，pH值的调控可以显著影响Fe3?和Al3?的去除效果。因此，本研究强调了在预处理过程中合理控制pH值的重要性。同时，吸附剂的用量也是一个关键参数，实验表明在1.5 g/L的用量下，吸附容量达到了最佳状态。此外，吸附过程的温度变化也会影响吸附行为，功能化处理后的吸附剂在吸热条件下表现出更高的吸附能力，这可能与其表面官能团的热力学稳定性有关。

本研究的实验设计涵盖了多个关键方面，包括材料的制备、表征、吸附性能的评估以及实际应用的验证。通过系统的研究，团队不仅验证了稻壳衍生二氧化硅及其功能化变体的吸附性能，还探讨了其在实际环境中的适用性。这些结果为未来在类似工业废料处理领域中应用吸附技术提供了理论依据和实验支持。

从环境和经济的角度来看，采用稻壳衍生的二氧化硅作为吸附剂具有显著优势。首先，稻壳作为一种常见的农业废弃物，其收集和处理成本较低，且对环境的影响较小。其次，通过化学处理提取二氧化硅并进行功能化，可以充分利用农业废弃物的潜在价值，减少资源浪费。此外，吸附过程的简便性和高效性也使其在工业应用中具备良好的可行性。因此，本研究提出的方法不仅有助于提高REE的回收效率，还为工业废料的资源化利用提供了新的方向。

在工业应用中，磷石膏的处理通常涉及复杂的化学和物理过程，而吸附技术作为一种简便、高效的分离手段，具有广泛的应用前景。本研究中使用的吸附剂能够在不同pH条件下有效去除Fe3?和Al3?，同时不影响REE的回收，这表明其在实际应用中具有较高的选择性和稳定性。此外，吸附剂的热力学特性也为其在不同温度条件下的应用提供了参考依据。因此，这一研究不仅为REE的回收提供了技术支持，还为其他金属离子的去除提供了可借鉴的经验。

本研究的成果为磷石膏废料的资源化利用提供了重要的技术基础。通过去除干扰离子，可以显著提高后续REE回收过程的效率和纯度，从而推动稀土资源的可持续开发。同时，这一方法也为其他工业废料中金属离子的去除提供了新的思路。例如，许多工业废液中都含有高浓度的Fe3?和Al3?，这些离子的存在可能会影响后续的金属回收过程。因此，采用类似的吸附技术，可以有效解决这些问题，提高资源回收的整体效益。

从长远来看，随着全球对稀土元素需求的增加，以及传统稀土矿产资源的逐渐枯竭，开发新的稀土资源来源显得尤为重要。磷石膏作为一种大规模产生的工业废料，其资源化利用不仅有助于缓解稀土供应紧张的局面，还能减少环境污染，实现资源的循环利用。因此，本研究提出的预处理方法具有重要的现实意义和应用价值。

此外，本研究还强调了吸附剂表面官能团设计的重要性。通过选择合适的有机配体，如APTS和2,6-吡啶二羧酸，可以有效提升吸附剂对特定金属离子的吸附能力。这一发现表明，吸附剂的性能可以通过表面修饰进行优化，从而满足不同应用场景的需求。例如，在某些工业废液中，可能需要去除特定的金属离子，而通过调整吸附剂的表面官能团，可以实现更高的选择性和吸附效率。

最后，本研究的结论为未来在稀土回收领域的研究提供了新的方向。通过结合农业废弃物的利用与吸附技术的创新，不仅可以提高稀土资源的回收率，还能推动绿色化学和可持续发展的理念。随着相关技术的不断进步，预计未来将有更多类似的吸附剂被开发和应用，为工业废料的资源化利用和环境治理提供更多的可能性。