通过机械化学方法将红泥重构为Fe?O?/ZnFeAl-LDH异质结构，以实现选择性染料吸附：这是一种可持续的工业废弃物资源化利用途径

《Sensors International》：Mechanochemical reconfiguration of red mud into Fe?O?/ZnFeAl-LDH heterostructures for selective dye adsorption: a sustainable path for industrial waste valorization

红泥（RM）作为铝土矿生产的高碱性副产品，处理困难。本研究提出湿机械化学合成法，一步将RM转化为Fe?O?/ZnFeAl-LDH异质结构，无需预处理或外部碱源。产物比表面积大、结晶度高，对50 mg/L靛蓝染料吸附容量达305.3 mg/g，120分钟内完全去除。机理为层间阴离子交换和表面络合，自发、吸热、熵驱动。该方法实现RM资源化，兼具工业废渣管理和废水净化效益。

　　

刘佳艺|徐彦琪|王海|唐 luwen|李存军|王林江

广西理工大学材料科学与工程学院，光学与电子材料及器件重点实验室，有色金属矿床勘探与资源高效利用协同创新中心，桂林 541004，中国

摘要

氧化铝生产过程中产生的高碱性副产品——红泥（RM）的处理对环境造成了严重威胁。本文提出了一种一步法机械化学转化工艺，无需任何预处理或外部碱源即可将高铁含量的红泥转化为Fe?O?/ZnFeAl层状双氢氧化物（LDH）异质结构。该过程通过Zn(NO?)?·6H?O辅助的湿法研磨过程中的界面重构实现，生成的复合材料具有层状多孔结构，结晶度高且表面积大。实验表明，该复合材料能在120分钟内完全去除浓度为50 mg L?1的靛蓝胭脂红（IC），其吸附能力高达305.3 mg g?1。机理分析显示，染料的吸附过程通过层间阴离子交换和表面配位两种机制进行，整个过程是自发的、吸热的，并受熵驱动。这项工作为将冶金废弃物转化为高性能功能材料提供了可持续的方法，同时有助于工业废渣管理和废水净化。

引言

红泥（RM）是铝土矿氧化铝生产过程中产生的高碱性副产品，对全球生态环境构成严重威胁[1]。其大量积累、极高的碱度（pH 10–13）以及复杂的化学成分导致土壤退化、地下水污染和长期处置难题[2]。尽管已有多种红泥利用方法，包括金属回收[3]、作为建筑材料[4]或选择性浸出[5]，但大多数方法在经济上不可持续、环境负面影响大、能耗高或难以规模化，因此迫切需要开发环境友好且实际可行的红泥转化途径。

层状双氢氧化物（LDH）是一类由二价和三价金属阳离子（如Mg2?、Ca2?、Cu2?、Zn2?、Fe3?、Al3?等）和平衡层间电荷的阴离子（如CO?2?、NO??、SO?2?等）组成的二维（2D）层状材料，因其可调的组成、高表面积和层间离子交换能力而受到广泛关注[5]。红泥天然富含Fe、Al和Ti元素，使其成为合成LDH的潜在低成本前体[6,7]。例如，已有研究通过添加MgO或MgCl?·6H?O等外部金属源[8]，或利用硼泥[9]、碳化钙渣或镍铁渣[10]等工业固体废弃物[11]，成功制备了Fe/Al-LDH、Ca/Al-LDH、Mg/Al-LDH和/或Mg/(Al-Fe)-LDH材料[12]。然而，大多数红泥基LDH的合成方法仍需多步骤处理，涉及酸[11]、碱[13]或热处理[8]，这些过程显著增加了能耗和处理成本，同时也带来了二次污染风险，违背了绿色化学的原则，限制了其实际应用。机械化学合成（MCS）[14]利用高能球磨诱导固态反应，是一种溶剂用量少、能耗低且可扩展的材料制备方法，能在温和条件下实现原位矿物相重构，无需使用强化学试剂或高温[6],[15],[16],[17],[18],[19]。尽管已有研究成功通过MCS方法制备出LDH[20]，但大多数基于废弃物的LDH合成策略仍需多步骤操作（如干磨后进行湿磨或后续热处理和碳化[6,15,21]），这些额外步骤增加了工艺复杂性和环境负担，降低了机械化学方法的可持续性。

为克服这些限制，本研究从理想化的前体体系转向实际危险的冶金废弃物，并简化了合成流程。我们提出了一种新型的一步法湿法机械化学合成策略，直接将未经改性的红泥转化为Fe?O?/ZnFeAl-LDH异质结构，避免了传统的两步（干磨-湿磨）工艺及与之相关的二次废水产生。值得注意的是，无需煅烧或酸碱预处理，红泥中的铁相即可重构为具有层状多孔结构的LDH框架。通过XRD、SEM/TEM和XPS等综合表征技术验证了Fe?O?/ZnFeAl-LDH异质复合材料的形成及其机械化学重构机制。所得Fe?O?/ZnFeAl-LDH复合材料具有显著增大的比表面积和优异的吸附性能，可在120分钟内完全去除浓度为50 mg L?1的靛蓝胭脂红（IC）。系统性的吸附研究（包括等温线、动力学、热力学及在复杂多离子和混合染料体系中的性能）证明了该材料在废水处理中的优越性。通过结合危险废物治理和高效水净化，本研究建立了一种绿色、可扩展且经济可行的红泥转化策略，为可持续废物资源化提供了新范例。

材料

六水合硝酸锌（Zn(NO?)?·6H?O）、硝酸钠（NaNO?）、碳酸钠（Na?CO?）、碳酸氢钠（NaHCO?）、氯化钠（NaCl）、硫酸钠（Na?SO?）、氯化钡（BaCl?）、氯化铵（NH?Cl）和氯化钾（KCl）以及三氧化二铁（Fe?O?）购自西龙科技有限公司。红泥（RM）来自广西平果铝业有限公司。RM的具体成分见表S1。靛蓝胭脂红（IC）...

结果与讨论

图1示意性地展示了从红泥制备Fe?O?/ZnFeAl-LDH复合材料的策略和吸附机制。如图1a所示，工业废料红泥（RM）与Zn(NO?)?·6H?O通过一步法湿法机械化学过程直接转化为Fe?O?/ZnFeAl-LDH异质结构。在高能球磨过程中，含有Fe、Al和Ti的矿物相发生界面激活和结构重组...

结论

本研究以工业红泥（RM）为原料，开发了一种一步法湿法机械化学球磨策略，成功制备了Fe?O?/ZnFeAl层状双氢氧化物（Fe?O?/ZnFeAl-LDH）异质结构复合材料。在温和的合成条件下（mRM/mZn = 1:2，加水量2 mL，球料质量比（BPMR）= 50:1，研磨速度250 rpm），RM中的Fe、Al及碱性成分得到直接激活和结构重组...

CRediT作者贡献声明

刘佳艺：撰写——原始草稿、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构建。 徐彦琪：撰写——审稿与编辑、项目监督、资源协调、资金争取。 王海：项目监督、资源协调、资金争取。 唐 luwen：项目监督。 李存军：项目监督、资源协调、资金争取。 王林江：项目监督、资源协调、资金争取。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了广西自然科学基金（项目编号：2025GXNSFAA069404）和广西光学与电子材料及器件重点实验室科技计划项目（项目编号：23AA-6）的支持。