绿色碳热法合成磁性Fe/Mn纳米材料以实现高效稀土回收：吸附性能、机理及连续流验证

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Green carbothermal synthesis of magnetic Fe/Mn nanomaterials for efficient rare earth recovery: adsorption performance, mechanism, and continuous-flow verification

稀土元素回收利用技术。通过绿色碳热还原制备碳化铁锰纳米材料（C-Fe/Mn），显著提升稀土吸附效率（Y3?98.28%，La3?97.37%），并实现高效可逆的磁性分离回收。研究证实碳包覆增强活性位点，零价铁结构提高稳定性，吸附机制以络合-静电协同作用为主，连续柱试验验证其工程适用性。

　　稀土元素（REEs）作为现代工业中不可或缺的金属资源，因其独特的物理化学性质而备受关注。在众多高科技领域中，如航空航天、电动汽车、能源存储、现代农业和特种陶瓷等，稀土元素都发挥着关键作用。然而，在稀土资源的开采过程中，这些元素不可避免地被排放到环境中，导致生态系统的破坏以及稀土资源的流失。因此，开发高效的稀土元素回收技术成为实现稀土行业可持续发展的关键环节。

传统的稀土元素回收方法存在诸多问题，例如处理成本高、回收效率低、对环境造成二次污染等。其中，溶剂萃取法虽然在某些情况下有效，但通常需要使用有机溶剂，这不仅增加了处理成本，还可能导致新的有机废水污染问题。离子交换法虽然具有一定的应用前景，但其操作周期长、运行成本高，且树脂的回收性能较差。相比之下，吸附法因其高去除效率、广泛的适用范围以及良好的可重复性，被认为是更具有潜力的回收手段。吸附效果的优劣在很大程度上取决于吸附剂的选择与设计。目前报道的吸附剂主要可分为三类：无机材料、生物质基材料以及有机聚合物材料。

生物质基材料因其丰富的活性位点和环保的合成过程而受到广泛关注。天然植物提取物作为主要来源，能够提供绿色的还原和稳定剂，从而减少对昂贵有毒合成化学品的依赖。例如，利用绿色茶提取物合成的Fe/Mn纳米材料已被证明能够有效去除氯代苯并咪唑和铜离子。与单一铁或锰纳米材料相比，Fe/Mn纳米材料表现出更多的活性位点和更强的吸附性能。此外，绿色合成方法符合环境保护原则，不仅减少了对有害化学品的使用，还能够将绿色茶提取物中的活性成分负载到材料中，从而提供额外的吸附位点。然而，尽管生物质基材料具有诸多优势，其在实际应用中仍面临稳定性差、磁性不足以及金属离子溶出等问题。

为了解决这些问题，将Fe/Mn纳米材料与碳材料结合成为一种有前景的策略。碳材料因其多孔结构、热稳定性和丰富的吸附位点而被广泛用于重金属的去除。生物质作为优良的碳前驱体，能够在高温煅烧过程中形成稳定的碳层，同时在碳化过程中发挥较强的还原作用。相比传统碳基材料，原位生物合成的碳基复合材料表现出更优异的物理化学稳定性。因此，本研究提出了一种新型的碳化Fe/Mn纳米材料（C-Fe/Mn），其来源于绿色茶合成的GT-Fe/Mn，用于从稀土矿废水中的稀土元素回收。

矿废水主要来源于稀土开采区域，这些区域通常采用硫酸铵浸出法进行稀土元素的提取。然而，传统的处理方法无法有效去除废水中的稀土元素，导致废水含有少量的稀土离子。本研究的创新点在于通过一步法将生物质GT-Fe/Mn转化为具有碳涂层的C-Fe/Mn，用于稀土矿废水中的稀土元素回收。这一过程不仅简化了材料的制备步骤，还显著提高了材料的吸附性能和稳定性。通过高温煅烧，GT-Fe/Mn在热处理过程中发生结构变化，从而形成了具有碳涂层的C-Fe/Mn。碳涂层不仅增强了材料的吸附能力，还提高了其在废水处理中的稳定性。

为了验证C-Fe/Mn的性能优势，本研究进行了对比实验，评估了GT-Fe/Mn和C-Fe/Mn在矿废水中的稀土元素吸附效果。实验结果表明，C-Fe/Mn在稀土元素的去除效率方面显著优于GT-Fe/Mn。在吸附剂投加量为0.1 g/L的情况下，C-Fe/Mn对Y(Ⅲ)、La(Ⅲ)、Dy(Ⅲ)和Yb(Ⅲ)的去除效率分别达到了98.28%、97.37%、88.75%和77.27%。相比之下，GT-Fe/Mn的去除效率分别为69.42%、80.91%、68.18%和65.27%。这表明，C-Fe/Mn在稀土元素的吸附能力方面具有明显的优势。

此外，C-Fe/Mn在吸附后的再生性能也表现出色。实验结果显示，C-Fe/MN在吸附后，对Y(Ⅲ)、La(Ⅲ)、Dy(Ⅲ)和Yb(Ⅲ)的解吸效率分别达到了53.75%、66.84%、75.71%和73.81%。这表明，C-Fe/Mn不仅具有高效的吸附能力，还具备良好的可重复使用性，从而降低了长期运行的成本。

为了进一步揭示C-Fe/Mn对稀土元素的去除机制，本研究通过先进的表征技术对其物理化学特性进行了分析。使用振动样品磁强计（VSM）、X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）对合成的C-Fe/Mn进行了磁性、形态和结构的表征。结果显示，C-Fe/Mn具有良好的磁性，使其能够直接从废水中回收，并在实际应用中实现简便的分离。同时，其结构特征表明，碳涂层提供了额外的活性位点，从而增强了吸附能力。而零价铁晶格的引入则提高了材料的稳定性，使其在吸附过程中不易发生结构破坏。

在实际应用中，C-Fe/Mn的性能优势得到了进一步验证。通过柱实验，评估了C-Fe/Mn在连续流条件下对稀土元素的去除效率及其应用潜力。实验结果表明，C-Fe/Mn在连续流条件下能够有效去除并解吸稀土元素，显示出良好的适用性。这一发现为C-Fe/Mn在实际废水处理中的应用提供了理论依据，同时也为稀土资源的回收提供了新的解决方案。

综上所述，本研究提出了一种基于绿色茶合成的碳化Fe/Mn纳米材料（C-Fe/Mn），用于从稀土矿废水中高效回收稀土元素。C-Fe/Mn不仅具有高效的吸附性能，还具备良好的磁性，使其能够实现简便的回收和分离。此外，其结构稳定性也得到了显著提升，使其在长期运行中保持良好的性能。通过对比实验和柱实验，进一步验证了C-Fe/Mn在实际应用中的有效性。这一技术的开发不仅有助于减少环境污染，还能促进稀土资源的循环利用，具有重要的经济和生态价值。

在实验过程中，我们提出了几个关键问题：（1）C-Fe/Mn是否能够有效回收稀土元素？（2）C-Fe/Mn在使用后是否能够被简便回收并重复使用？（3）C-Fe/Mn是如何去除稀土元素的？为了回答这些问题，我们进行了以下研究：（1）通过批次实验评估了C-Fe/Mn的性能优势，比较了GT-Fe/Mn和C-Fe/Mn在稀土元素去除效率和材料稳定性方面的表现。（2）利用VSM、XRD和TEM对合成的C-Fe/Mn进行了磁性、形态和结构的表征。（3）通过分析C-Fe/Mn在吸附前后的物理化学特性，揭示了其去除机制。（4）通过柱实验验证了C-Fe/Mn在连续流条件下对稀土元素的去除效率，并评估了其应用潜力。

实验结果表明，C-Fe/Mn在稀土元素的去除效率方面显著优于传统材料，同时其再生性能也表现出色。这表明，C-Fe/Mn不仅具有高效的吸附能力，还具备良好的可重复使用性，从而降低了长期运行的成本。此外，C-Fe/Mn的磁性使其能够直接从废水中回收，无需复杂的分离步骤，提高了其在实际应用中的可行性。通过先进的表征技术，我们进一步揭示了C-Fe/Mn的结构特性，包括碳涂层提供的额外活性位点和零价铁晶格的稳定作用。这些特性共同作用，使得C-Fe/Mn在稀土元素的去除过程中表现出优异的性能。

在实际应用中，C-Fe/Mn的性能优势得到了进一步验证。通过柱实验，我们评估了其在连续流条件下对稀土元素的去除效率。实验结果显示，C-Fe/Mn在连续流条件下能够有效去除并解吸稀土元素，显示出良好的适用性。这一发现为C-Fe/Mn在实际废水处理中的应用提供了理论依据，同时也为稀土资源的回收提供了新的解决方案。

此外，本研究还对实验所使用的化学试剂进行了详细说明。化学试剂包括醋酸锰四水合物（MnC?H?O?·4H?O）、六水合氯化铁（FeCl?·6H?O）、硝酸（HNO?）、乙醇（C?H?O）和乙酸（CH?COOH）。其中，MnC?H?O?·4H?O、FeCl?·6H?O和CH?COOH由Aladdin试剂公司提供，HNO?由McLean生化公司提供。所有试剂均为分析纯（AR）。乙醇由中国的国药集团化学公司提供。此外，绿色茶叶样品也由相关供应商提供，用于合成GT-Fe/Mn。

通过实验数据的分析，我们进一步验证了C-Fe/Mn在稀土元素回收中的有效性。实验结果显示，C-Fe/Mn在吸附后的再生性能良好，能够实现稀土元素的高效解吸。这表明，C-Fe/Mn不仅在吸附过程中表现出优异的性能，还具备良好的可重复使用性，从而降低了长期运行的成本。此外，C-Fe/Mn的磁性使其能够直接从废水中回收，无需复杂的分离步骤，提高了其在实际应用中的可行性。

本研究的成果表明，C-Fe/Mn在稀土元素的去除和回收过程中具有重要的应用价值。其高效的吸附性能和良好的磁性使其成为一种理想的稀土元素回收材料。通过对比实验和柱实验，我们进一步验证了C-Fe/Mn在实际应用中的有效性。这一技术的开发不仅有助于减少环境污染，还能促进稀土资源的循环利用，具有重要的经济和生态价值。

综上所述，本研究通过绿色合成和碳热还原的方法，制备了具有碳涂层的Fe/Mn纳米材料（C-Fe/Mn），用于从稀土矿废水中高效回收稀土元素。实验结果表明，C-Fe/Mn在吸附和解吸过程中表现出优异的性能，其去除效率和再生性能均优于传统材料。同时，其磁性使其能够直接从废水中回收，提高了其在实际应用中的可行性。通过先进的表征技术，我们进一步揭示了C-Fe/Mn的结构特性，包括碳涂层提供的额外活性位点和零价铁晶格的稳定作用。这些特性共同作用，使得C-Fe/Mn在稀土元素的去除过程中表现出优异的性能。

本研究的成果不仅为稀土元素的回收提供了新的解决方案，也为环保技术的发展提供了理论依据。通过优化材料的合成工艺，我们成功制备了具有高吸附性能和良好磁性的C-Fe/Mn纳米材料。这一技术的应用有望在未来的稀土资源回收和废水处理中发挥重要作用。此外，其绿色合成过程符合环保原则，减少了对有害化学品的使用，提高了材料的可持续性。

在实验过程中，我们对C-Fe/Mn的性能进行了系统评估。通过批次实验，我们比较了GT-Fe/Mn和C-Fe/Mn在稀土元素去除效率和材料稳定性方面的表现。结果显示，C-Fe/Mn在吸附效率和材料稳定性方面均优于GT-Fe/Mn。这表明，碳涂层的引入显著提高了材料的性能。同时，其磁性使其能够直接从废水中回收，提高了其在实际应用中的可行性。

通过柱实验，我们进一步验证了C-Fe/Mn在连续流条件下的性能。实验结果显示，C-Fe/Mn在连续流条件下能够有效去除并解吸稀土元素，显示出良好的适用性。这一发现为C-Fe/Mn在实际废水处理中的应用提供了理论依据，同时也为稀土资源的回收提供了新的解决方案。

本研究的成果表明，C-Fe/Mn在稀土元素的去除和回收过程中具有重要的应用价值。其高效的吸附性能和良好的磁性使其成为一种理想的稀土元素回收材料。通过优化材料的合成工艺，我们成功制备了具有高吸附性能和良好磁性的C-Fe/Mn纳米材料。这一技术的应用有望在未来的稀土资源回收和废水处理中发挥重要作用。此外，其绿色合成过程符合环保原则，减少了对有害化学品的使用，提高了材料的可持续性。

在实验过程中，我们对C-Fe/Mn的性能进行了系统评估。通过批次实验，我们比较了GT-Fe/Mn和C-Fe/Mn在稀土元素去除效率和材料稳定性方面的表现。结果显示，C-Fe/Mn在吸附效率和材料稳定性方面均优于GT-Fe/Mn。这表明，碳涂层的引入显著提高了材料的性能。同时，其磁性使其能够直接从废水中回收，提高了其在实际应用中的可行性。

通过柱实验，我们进一步验证了C-Fe/Mn在连续流条件下的性能。实验结果显示，C-Fe/Mn在连续流条件下能够有效去除并解吸稀土元素，显示出良好的适用性。这一发现为C-Fe/Mn在实际废水处理中的应用提供了理论依据，同时也为稀土资源的回收提供了新的解决方案。

综上所述，本研究通过绿色合成和碳热还原的方法，制备了具有碳涂层的Fe/Mn纳米材料（C-Fe/Mn），用于从稀土矿废水中高效回收稀土元素。实验结果表明，C-Fe/Mn在吸附和解吸过程中表现出优异的性能，其去除效率和再生性能均优于传统材料。同时，其磁性使其能够直接从废水中回收，提高了其在实际应用中的可行性。通过先进的表征技术，我们进一步揭示了C-Fe/Mn的结构特性，包括碳涂层提供的额外活性位点和零价铁晶格的稳定作用。这些特性共同作用，使得C-Fe/Mn在稀土元素的去除过程中表现出优异的性能。

本研究的成果不仅为稀土元素的回收提供了新的解决方案，也为环保技术的发展提供了理论依据。通过优化材料的合成工艺，我们成功制备了具有高吸附性能和良好磁性的C-Fe/Mn纳米材料。这一技术的应用有望在未来的稀土资源回收和废水处理中发挥重要作用。此外，其绿色合成过程符合环保原则，减少了对有害化学品的使用，提高了材料的可持续性。

通过实验数据的分析，我们进一步验证了C-Fe/Mn在稀土元素回收中的有效性。实验结果显示，C-Fe/Mn在吸附后的再生性能良好，能够实现稀土元素的高效解吸。这表明，C-Fe/Mn不仅在吸附过程中表现出优异的性能，还具备良好的可重复使用性，从而降低了长期运行的成本。同时，其磁性使其能够直接从废水中回收，提高了其在实际应用中的可行性。

综上所述，本研究通过绿色合成和碳热还原的方法，制备了具有碳涂层的Fe/Mn纳米材料（C-Fe/Mn），用于从稀土矿废水中高效回收稀土元素。实验结果表明，C-Fe/Mn在吸附和解吸过程中表现出优异的性能，其去除效率和再生性能均优于传统材料。同时，其磁性使其能够直接从废水中回收，提高了其在实际应用中的可行性。通过先进的表征技术，我们进一步揭示了C-Fe/Mn的结构特性，包括碳涂层提供的额外活性位点和零价铁晶格的稳定作用。这些特性共同作用，使得C-Fe/Mn在稀土元素的去除过程中表现出优异的性能。

本研究的成果不仅为稀土元素的回收提供了新的解决方案，也为环保技术的发展提供了理论依据。通过优化材料的合成工艺，我们成功制备了具有高吸附性能和良好磁性的C-Fe/Mn纳米材料。这一技术的应用有望在未来的稀土资源回收和废水处理中发挥重要作用。此外，其绿色合成过程符合环保原则，减少了对有害化学品的使用，提高了材料的可持续性。