磺酸化活性炭高效去除锌浸出液中氟化物的实验与分子动力学研究

本研究针对锌湿法冶金过程中氟化物(F- )引发的设备腐蚀和产品质量问题，开发了磺酸化活性炭吸附剂。通过实验优化和分子动力学(MD)模拟，证实该材料在pH 5.5、60℃条件下可实现90%的氟去除率，且锌(Zn2+ )共吸附率极低。该技术为工业废水处理提供了原子尺度的设计思路，兼具成本效益与环境友好性。

　　

在锌湿法冶金工业中，氟化物(F^-
)污染如同潜伏的"工业刺客"——微量存在即可在电解过程中形成腐蚀性极强的氢氟酸(HF)，不仅会蚀穿铝阴极导致锌板剥离困难，还会全面攻击管道设备。传统化学沉淀法如同"杀敌一千自损八百"的策略，在去除氟化物的同时常造成锌(Zn²⁺
)的共沉淀损失，而离子交换技术则面临成本高昂的困境。更棘手的是，随着二次资源利用的普及，原料中杂质含量波动加剧，使得现有技术难以稳定达标。

针对这一行业痛点，伊玛目霍梅尼国际大学的研究团队在《Journal of Molecular Liquids》发表创新成果，将廉价的活性炭通过硫酸磺酸化改造，打造出兼具高选择性和环境友好特性的"氟离子捕手"。研究采用双管齐下的策略：实验方面通过76组样本系统优化了pH、温度等参数；理论层面则运用分子动力学(MD)模拟揭开了吸附过程的原子级"慢动作镜头"。这种"实验室+超级计算机"的联合作战模式，不仅找到了最佳工艺条件，更从本质上阐明了氟化物与磺酸基团(-SO₃
H)的强相互作用机制。

关键技术方法包括：1) 采用不同浓度硫酸(1-10M)对活性炭进行表面功能化；2) 建立含F^-
(1000ppm)和Zn²⁺
(800ppm)的模拟浸出液体系；3) 结合吸附动力学实验与分子动力学(MD)模拟分析相互作用机制；4) 通过径向分布函数(RDF)和均方根偏差(RMSD)量化吸附稳定性。

【实验设计】
研究团队设计了两阶段实验：首先用硫酸对100目活性炭进行磺酸化改性，随后在控制pH、温度等条件下测试氟吸附性能。发现5M硫酸处理的材料在60℃、5分钟接触时间内展现最佳性能，这归因于磺酸基团提供的丰富吸附位点。

【分子动力学研究】
MD模拟如同给实验数据装上"原子显微镜"，清晰显示F^-
与-SO₃
H基团形成稳定配位键，而Zn²⁺
则因电荷排斥作用难以吸附。温度升高至80℃时，氟化物的吸附稳定性显著降低，印证了物理吸附为主的特性。

【性能对比】
相较于传统氧化铝或锆基吸附剂，该材料在保持90%去除率的同时，将锌损失率控制在0.3%以下。更突出的是其经济性——活性炭原料成本仅为稀土材料的1/20，且无需添加pH调节剂等辅助药剂。

结论部分指出，这项研究实现了"一石三鸟"的突破：首先，通过原子级设计阐明了磺酸基团的选择性吸附机制；其次，开发出可避免锌损失的专属吸附剂；最后，为湿法冶金行业提供了兼具经济效益(节约30%废水处理成本)和环境效益(减少化学药剂使用)的解决方案。讨论中特别强调，该方法可扩展应用于其他含氟工业废水的处理，未来通过连续流系统改造有望实现万吨级应用。正如研究者A. Mabudi和R. Ahmadi在文中所述，这种"功能精准定制+机制深度解析"的研究范式，为复杂体系污染物去除提供了新方法论。