利用水处理污泥制备地质聚合物吸附剂高效去除铵离子的可持续性研究

为解决水处理过程中铵离子(NH4 + )污染及污泥资源化问题，意大利巴里大学团队创新性地以饮用水厂污泥(LOC)和污水厂污泥替代50%偏高岭土(MK)，通过两种钠硅酸盐(SS)调控方法制备地质聚合物吸附剂。研究显示，LOC基材料在NH4 + 吸附中表现优异（去除率66.6%，吸附容量18 mg/g），为水处理行业提供了低成本、低碳排放的循环经济解决方案。

　　

全球水资源危机正因气候变化和污染加剧而日益严峻，其中铵离子(NH₄
⁺
)作为引发水体富营养化的关键污染物，其高效去除技术成为环境领域的研究热点。传统处理方法如生物脱氮虽有效但能耗较高，而吸附法因操作简便、成本低廉备受关注。地质聚合物(geopolymer)这类由硅铝酸盐前驱体与碱激活剂反应形成的多孔材料，因其独特的离子交换能力被视为理想吸附剂。然而，当前地质聚合物生产严重依赖偏高岭土(MK)等天然原料，不仅成本高昂（约300欧元/吨），还涉及不可再生资源开采。与此同时，水处理行业每年产生大量富含铝硅成分的污泥，其处置问题同样困扰着环保工作者。

意大利巴里大学团队在《Environmental Research》发表的研究中，首次系统评估了饮用水厂污泥(LOC)与污水厂污泥替代MK制备地质聚合物吸附剂的可行性。研究通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等技术表征材料特性，采用批量吸附实验评估NH₄
⁺
去除效能，并创新性地开发了两种钠硅酸盐(SS)用量优化方案：直接减少SS用量或添加硅灰补充SiO₂
。

Raw materials characterization
热重分析显示LOC含30.2% Al₂
O₃
和19.8% SiO₂
，其铝源主要来自净水工艺中的硫酸铝混凝剂；污水污泥则含更高Fe₂
O₃
(15.3%)但活性硅铝较低。粒径分析表明MK700（700℃煅烧偏高岭土）中位径为8μm，有利于地质聚合反应。

Geopolymer synthesis optimization
当LOC替代50% MK时，采用"Method I"（SS减量30%）制备的样品抗压强度达20MPa，孔隙分布以2-50nm介孔为主；而污水污泥仅在10%替代率下保持结构稳定性。硅灰补充法使LOC基材料SiO₂
/Al₂
O₃
摩尔比提升至3.2，促进三维网络形成。

Ammonium adsorption performance
LOC地质聚合物在pH=7时展现最佳吸附性能，其NH₄
⁺
去除动力学符合准二级模型，表明化学吸附主导过程。X射线光电子能谱(XPS)证实Na⁺
与NH₄
⁺
的离子交换是主要机制，每克吸附剂可交换0.42mmol阳离子。

Conclusions
该研究成功实现三大突破：首次将水处理污泥应用于NH₄
⁺
吸附型地质聚合物开发；通过SS调控使材料成本降低40%；LOC基吸附剂的单位处理能耗仅0.027kWh/m³
，较传统工艺降低65%。这项工作为水处理行业提供了"以废治污"的新范式，其材料设计思路可扩展至其他重金属污染物去除领域。