煤矸石负载纳米FeS同步去除酸性矿山废水中Cr(VI)、Cu(II)和Cd(II)的吸附特性及机制研究

本研究针对酸性矿山废水(AMD)中Cr(VI)、Cu(II)和Cd(II)同步去除难题，开发了煤矸石负载纳米FeS(nFeS-CG)复合材料，通过吸附-还原-沉淀协同机制实现三者的高效去除（Cr 94.08%、Cu 84.08%、Cd 71.36%）。该材料突破传统吸附剂单金属处理局限，兼具成本优势与稳定性，为煤矸石资源化利用和AMD治理提供新技术路径。

　　

矿山开采产生的酸性废水（AMD）如同地球的"伤口"，其中高毒性的铬(Cr)、铜(Cu)、镉(Cd)等重金属离子不断渗出，威胁生态环境和人类健康。传统处理方法要么成本高昂，要么难以同步去除多种重金属。更棘手的是，采矿伴生的固体废弃物煤矸石堆积如山，既占用土地又存在自燃风险。如何"变废为宝"，用煤矸石治理重金属污染，成为环境领域亟待解决的难题。

辽宁工程技术大学的研究团队独辟蹊径，将纳米硫化亚铁(FeS)与煤矸石(CG)这对"黄金搭档"结合，开发出新型复合材料nFeS-CG。通过超声沉淀法让纳米FeS均匀锚定在煤矸石表面，既解决了纳米颗粒易团聚的缺陷，又激活了煤矸石的吸附潜能。实验显示，这种材料在pH=4的模拟AMD中，仅需7 g/L用量和155分钟反应时间，就能将Cr(VI)、Cu(II)和Cd(II)的去除率分别提升至94.08%、84.08%和71.36%，性能远超单独使用的FeS或煤矸石。这项突破性成果发表在《RSC Advances》期刊，为矿山污染治理提供了"以废治废"的创新思路。

研究采用超声沉淀法制备nFeS-CG，通过批次吸附实验考察剂量、pH等参数影响，结合SEM、XRD等技术表征材料结构，并运用动力学模型揭示吸附机制。实验所用模拟AMD基于陕西榆林矿区实际废水数据配制，含Cr(VI)、Cu(II)、Cd(II)各100 mg/L。

性能评估测试

系统考察了吸附剂剂量、pH等参数的影响。当nFeS-CG用量达7 g/L时，三种金属去除率均达峰值。酸性条件(pH=3)最有利，因质子化增强静电吸附，且促进FeS电离释放Fe²⁺和S^2?。反应155分钟后吸附趋于平衡，初始浓度升高会降低去除率但增加单位吸附量。

吸附动力学

伪二级动力学模型(R²>0.97)最佳拟合实验数据，表明化学吸附主导过程。颗粒内扩散模型显示吸附分三阶段：表面快速吸附、颗粒扩散和最终平衡。Elovich模型证实化学吸附是限速步骤。

吸附等温线

Langmuir模型(R²>0.99)拟合优于Freundlich和Temkin模型，证实单分子层吸附特征。nFeS-CG对Cr(VI)、Cu(II)、Cd(II)的最大吸附量分别为15.70、12.61和10.52 mg/g，显著高于原始煤矸石。

吸附热力学

ΔG°为负值(-1.03至-6.31 kJ/mol)证实过程自发，ΔH°正值(15.90-77.63 kJ/mol)表明吸热特性，升温有利吸附。ΔS°增加(53.31-263.83 J/mol·K)反映体系混乱度增大。

共存离子影响

Ni(II)和Zn(II)会竞争吸附位点，使目标金属去除率下降23-65%，其中Ni(II)干扰更显著，因其离子半径更小、与S^2?结合力更强。

浸出毒性

nFeS-CG浸出液中Cr、Cu等重金属含量远低于国家标准，证实材料可安全用于水处理。

表征分析

XRD检测到反应后出现Cr₂S₃(2θ=30.07°)、CuS(31.87°)和CdS(43.82°)特征峰；XPS显示Fe²⁺氧化为Fe³⁺，S^2?转化为S₈和SO₄^2?；FTIR证实羟基参与金属配位。SEM观察到反应后材料表面覆盖纳米级沉淀颗粒。

这项研究创新性地实现了"固废治污水"的双赢目标。nFeS-CG通过三重机制协同作用：1)煤矸石表面质子化后静电吸附HCrO₄^?；2)纳米FeS将Cr(VI)还原为低毒Cr(III)，同时Fe²⁺氧化为Fe³⁺；3)S^2?与金属离子生成Cr₂S₃、CuS等稳定沉淀。相比现有吸附剂，该材料成本降低80%以上，且通过3次再生循环仍保持良好性能。研究不仅为AMD治理提供新技术，更开创了煤矸石高值化利用新途径，对推动矿业可持续发展具有重要实践意义。未来研究可进一步优化材料再生工艺，并在实际AMD中验证长期稳定性。