尿素诱导重构拜耳赤泥酸浸液制备介孔吸附剂实现砷污染高效治理：性能与机制解析

针对工业废料拜耳赤泥(Bayer RM)堆积和砷(As)污染双重难题，研究人员创新性地通过盐酸浸提-尿素水解重构技术，将赤泥酸浸液转化为具有介孔结构的复合吸附剂(AU-RM)。该材料在10分钟内实现90%以上的砷去除率，吸附过程符合伪二级动力学和Freundlich等温模型，XPS和XAS分析揭示其通过内层络合(inner-sphere complexation)等多机制协同除砷，为工业废料资源化与水体修复提供"以废治废"新策略。

　　

砷污染已成为威胁全球水安全的重大环境问题。这种具有强毒性的类金属元素在自然界主要以As(III)和As(V)形态存在，世界卫生组织(WHO)规定饮用水砷含量不得超过10 μg·L^-1，但全球仍有超过2亿人暴露于超标风险中。传统除砷技术如活性炭吸附、金属有机框架(MOFs)等材料虽有效但成本高昂，而工业废料拜耳赤泥(Bayer Red Mud, RM)虽含丰富铁铝氧化物却因高碱性和致密结构限制其应用。如何实现"变废为宝"，将这种年产量巨大的铝工业副产品转化为高效除砷材料，成为环境工程领域亟待解决的难题。

针对这一挑战，深圳信息职业技术学院（第一作者单位：Guangdong University Young Innovative Talents Program）的研究团队开发出创新性的酸-尿素协同改性技术。通过盐酸浸提去除赤泥杂质后，利用尿素水解产生的碱性环境重构酸浸液，成功制备出具有介孔结构的复合吸附剂(AU-RM)。该材料在Journal of Environmental Chemical Engineering发表的研究中展现出突破性性能：10分钟内对砷的去除率超过90%，吸附容量达传统材料的3倍以上，且制备过程无需复杂添加剂，真正实现了"以废治废"的绿色循环理念。

研究采用多学科交叉技术方法：通过X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征材料晶体结构和表面官能团；氮气吸附-脱附测试测定比表面积和孔径分布；X射线光电子能谱(XPS)和X射线吸收光谱(XAS)解析砷的化学形态和吸附机制；选用贵州铝厂拜耳赤泥为原料，系统考察pH值、接触时间和初始浓度对As(V)去除的影响。

【物理化学特性】XRD显示重构后的AU-RM主要含Fe₂O₃、Al₂O₃和Al₄(OH)(SiO₁₀)晶相，FTIR在3450 cm^-1处出现显著羟基峰，证实尿素水解促使Fe³⁺/Al³⁺重新沉淀于硅基质形成丰富表面活性位点。比表面积达218 m²·g^-1，远超原始赤泥的15 m²·g^-1，介孔结构为砷吸附提供理想通道。

【吸附性能】动力学数据符合伪二级模型(R²>0.99)，说明化学吸附主导过程；Freundlich等温线拟合优于Langmuir模型，表明存在多分子层吸附。在pH=3-7范围内保持80%以上去除率，10 mg·L^-1砷溶液处理10分钟即达吸附平衡，最大容量达49.2 mg·g^-1。

【作用机制】XPS分析显示As 3d结合能向低能方向偏移1.2 eV，证实形成As-O-Fe/Al内层络合；Fe 2p谱图显示Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原对的存在，表明伴随电子转移过程。XAS近边吸收谱(XANES)进一步验证砷通过双齿单核构型与吸附剂结合。

这项研究通过巧妙的尿素诱导重构策略，将危险工业废料转化为高性能环境修复材料，其创新性体现在三方面：技术上，开发出酸浸-尿素水解协同改性新工艺，避免传统方法需添加复杂助剂的缺点；理论上，阐明砷在重构赤泥表面的多机制协同吸附规律；应用上，为同时解决赤泥堆积和砷污染问题提供经济高效的方案。研究获得广东省高校青年创新人才计划等多项基金支持，相关技术已申请中国发明专利，在贵州等高砷风险地区具有重要推广价值。这种"以废治废"的循环经济模式，为工业副产品高值化利用和重金属污染治理开辟了新途径。