再生铝基ZnAl层状双氢氧化物薄膜的微波辅助制备及其高效磷酸盐吸附性能研究

本研究针对水体富营养化治理中磷酸盐去除难题，创新性地在再生铝基板上通过微波辅助法（300-600 W）制备ZnAl-LDHs薄膜。通过XRD、FE-SEM、BET等技术表征证实材料具有分级纳米结构，其最大吸附容量达658 mg/g（Langmuir模型），且抗Cl-、NO3-等阴离子干扰。FT-IR和XPS揭示磷酸盐通过静电吸引、配体交换和离子交换三重机制被去除，为开发环境友好型吸附剂提供新思路。

　　

随着农业化肥和工业洗涤剂的广泛使用，水体中磷酸盐污染引发的富营养化已成为全球性环境难题。藻类暴发性繁殖导致水生生态系统失衡，传统处理方法面临成本高、效率低等瓶颈。层状双氢氧化物（Layered Double Hydroxides, LDHs）因其可调控的层间结构和阴离子交换能力被视为理想吸附剂，但传统粉末状LDHs存在回收困难、易团聚等问题。

为解决这一挑战，来自Haad Thip Public Company Limited（泰国）的研究团队创新性地利用废弃铝罐作为基底和铝源，通过微波辅助法直接生长ZnAl-LDHs薄膜。这项发表在《Results in Surfaces and Interfaces》的研究，开发出兼具高吸附性能和机械稳定性的新型薄膜材料。研究人员采用梯度微波功率（300/450/600 W）调控材料形貌，发现600 W制备的样品呈现片状交织的"花簇"结构，比表面积达0.54 m²/g，展现出最优异的磷酸盐吸附性能。

研究团队运用多尺度表征技术揭示了材料特性：XRD证实(003)和(006)晶面特征峰（10.5°和20.3°）；FE-SEM显示微波功率显著影响形貌演变，600 W样品形成超薄纳米片；EDX证实Zn/Al原子比降至0.56，增强层板正电荷密度。通过pH_pzc测试（零电荷点7.22）和FT-IR分析，发现材料在pH=4时吸附效率最高，此时磷酸盐以H₂PO₄^-形态与带正电的LDH表面产生强静电作用。

关键实验技术包括：

1. 微波辅助水热法在再生铝基板上原位生长LDH薄膜
2. 采用BET测定比表面积（0.42-0.54 m²/g）和孔隙结构
3. 通过pH_pzc测定和FT-IR分析表面化学性质
4. 钼蓝比色法监测磷酸盐吸附动力学
5. XPS和EDX mapping解析元素分布与化学状态

3.1 Formation of ZnAl-LDHs
通过反应机制解析（Al(OH)₄^- + Zn²⁺ → ZnAl-LDHs）证实铝基底的双重作用：既作为Al³⁺源又提供生长平台。微波能量加速离子扩散，600 W条件下形成高结晶度材料。

3.2 Microstructure of ZnAl-LDHs
XRD显示(003)晶面间距随功率增大而减小，反映层间堆积更紧密。SEM证实600 W样品48小时后形成50 nm厚纳米片，BET显示其孔隙体积（0.776 μL/g）显著高于低功率样品。

3.3 Phosphate uptake kinetics
吸附6小时后达到平衡，600 W样品去除率高达92.7%。Langmuir模型拟合度最佳（R²=0.956），计算最大吸附量658 mg/g，远超传统MgAl-LDHs（346.4 mg/g）。

3.5 Effect of Interferent Anions
在Cl^-、SO₄^2-等共存时仍保持86.8-95.3%吸附效率，仅CO₃^2-因竞争交换使效率下降6%。

3.6 Adsorption mechanism
XPS证实P 2p特征峰（133.6 eV）和Zn-O-P键（1024 eV）形成；FT-IR显示NO₃^-峰（1384 cm^-1）减弱而P-O峰（1056 cm^-1）增强，揭示三重作用机制：
1）层间NO₃^-/PO₄^3-离子交换
2）表面Zn/Al-OH基团的配体交换
3）静电吸引作用

这项研究开创了"以废治废"的新策略：利用废弃铝罐制备的ZnAl-LDHs薄膜，不仅解决了粉末吸附剂回收难题，其658 mg/g的吸附容量更为实际废水处理提供高效解决方案。材料在宽pH范围和复杂离子环境中表现稳定，通过微波功率可精确调控微观结构，为环境功能材料的定向设计提供理论依据。该技术兼具经济性（原料成本低）与可持续性（铝基板可循环利用），在工业废水深度处理领域具有重要应用前景。