铁涂层钢渣（ICS）在水体磷酸盐去除与回收中的应用：性能优化与机制探究

本研究针对水体富营养化及磷资源不可再生问题，开发了一种基于铁涂层钢渣（ICS）的高效吸附材料。通过系统优化涂层条件（粒径0.5–1 mm、FeCl3浓度0.5 M、pH=1），ICS对磷酸盐的最大吸附容量达3.99 mg P/g，且在固定床柱实验中实现三轮吸附-解吸循环（累计去除量2.65–2.80 mg/g，回收效率72.2–83.4%）。该材料在真实水样（污水与雨水）中表现稳定，为可持续磷管理提供了低成本解决方案。

　　

随着人类活动加剧，水体中的磷酸盐污染已成为全球性环境问题，它不仅导致湖泊、河流等水域的富营养化，引发有害藻华和缺氧现象，还加剧了磷这一不可再生资源的消耗危机。磷既是生命体必需的关键营养元素，又是引发生态失衡的潜在污染物，这种双重属性使得其管理变得尤为紧迫。传统的水处理技术如生物处理、沉淀、离子交换和膜分离等虽各有优势，但普遍存在成本高、操作复杂或二次污染等问题。吸附法因其高效、经济且易于操作而备受关注，但开发低成本、高容量且可再生的吸附材料仍是当前研究的难点。

在这一背景下，工业副产品钢渣进入研究者视野。钢渣富含金属氧化物（如CaO、Fe₂O₃、Al₂O₃），理论上可通过沉淀、静电吸引和配体交换等机制捕获磷酸盐，但其有限的比表面积和孔隙结构限制了实际应用。为此，研究人员尝试通过物理、热、酸、碱和金属涂层等改性方法提升其性能，其中铁涂层技术因铁对磷酸盐的高亲和性而显示出巨大潜力，但此前尚未应用于钢渣改性，且磷酸盐回收潜力也未得到充分评估。

为填补这一空白，来自美国南达科他州立大学土木与环境工程系的Siavash Ebrahimzadeh、Guanghui Hua和Christopher Schmit合作开展了一项研究，旨在开发一种基于铁涂层钢渣（ICS）的材料，用于高效去除和回收水体中的磷酸盐，并系统评估其性能、机制及实际应用潜力。该研究近期发表在《Desalination and Water Treatment》上，为可持续磷管理提供了新思路。

为完成这一研究，作者主要采用了以下关键技术方法：首先，通过筛分获得不同粒径（0.5–1 mm、1–2 mm、2–4 mm、4–8 mm）的电弧炉钢渣（EAF slag），并利用FeCl₃溶液在不同浓度（0.05–0.5 M）和pH（1、6、10）条件下进行铁涂层，结合烤箱干燥和热处理（100–800 °C）优化制备工艺；其次，采用扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线荧光光谱（XRF）和酸消化法对材料进行表征，以分析表面形貌、元素组成、官能团变化和铁含量；第三，通过批实验评估磷酸盐吸附容量、pH影响和共存离子效应，并利用Langmuir和Freundlich等温线模型及伪一级、伪二级动力学模型拟合数据；第四，开展固定床柱实验，考察连续流条件下的吸附-解吸性能，使用0.1 M NaOH进行磷酸盐回收，并通过Thomas、Adams-Bohart和Yoon-Nelson模型分析突破曲线；最后，将优化材料应用于真实水样（市政污水和雨水），验证其实际可行性。所有实验均设重复，数据统计分析确保可靠性。

研究结果部分，作者通过多项实验 systematically 揭示了ICS的性能与机制。

在ICS表征方面，SEM-EDS和FTIR分析显示，铁涂层成功将钢渣表面由灰色变为红棕色，铁含量从1.74%显著提升至33.56%，且O–H伸缩振动（3400 cm?1）和P–O振动（1000–1100 cm?1）表明表面羟基和磷酸盐化学吸附起主导作用。XRF证实原始钢渣以CaO（49.2%）和SiO₂（28.4%）为主，铁涂层后材料pH从10.5降至6.0，更接近中性，减少了二次污染风险。酸消化测定显示，铁涂层量随FeCl₃浓度增加而上升（0.5–1 mm slag达124 mg/g），但吸附容量与铁含量非完全线性相关，暗示表面覆盖和孔结构的影响。

在批吸附研究中，作者发现ICS的磷酸盐吸附容量随涂层溶液浓度增加而提高（0.5–1 mm slag在0.5 M FeCl₃下达2.91 mg/g），但随粒径增大而下降（4–8 mm仅0.60 mg/g）。涂层pH=1时性能最优（2.91 mg/g），因低pH下Fe³⁺溶解度高，利于表面沉积；而pH=6和10时形成Fe(OH)₃沉淀，减少有效铁负载。热处理（400–800 °C）仅带来10–17%的提升，经济性不足。吸附受pH影响显著，在pH=5时容量最高（3.70 mg/g），pH=11时降至2.44 mg/g，归因于表面电荷变化和OH^?竞争；共存离子（Cl^?、SO₄^2?、NO₃^?）则影响微弱（<3%），证明ICS对磷酸盐的高选择性。等温线和动力学拟合表明，Langmuir模型（R²>0.99）和伪二级模型（R²=0.986）最适用，最大吸附容量为3.99 mg P/g，较原始钢渣提升113%，且化学吸附为主导机制。

在固定床柱实验中，ICS展现出良好的可重复使用性。三轮吸附循环的累计去除容量分别为2.80、2.71和2.65 mg/g，仅小幅下降（3.0–2.2%），突破曲线显示Thomas模型拟合最佳（R²>0.98）。使用0.1 M NaOH解吸，回收效率达83.4%、72.2%和73.0%，EDS分析证实材料表面铁含量保持稳定（30.33% after 3 cycles）。在真实水样（污水和雨水）测试中，磷酸盐吸附容量为2.16–2.32 mg P/g（较纯溶液下降10–15.7%），但回收效率仍高达84.2–85.6%，表明ICS在实际应用中具鲁棒性。

综合讨论与结论，本研究成功开发出一种高效、低成本且可持续的铁涂层钢渣（ICS）材料，用于水体磷酸盐的去除与回收。通过优化制备条件（0.5–1 mm slag、0.5 M FeCl₃、pH=1），ICS在批实验和柱实验中均表现出优异性能，最大吸附容量达3.99 mg P/g，且可多次再生使用。机理分析表明，吸附主要以化学作用为主，涉及表面羟基的配体交换和静电吸引，而沉淀和共沉淀作用微弱。该材料不仅缓解了钢渣处置问题，还降低了处理成本（预估制备成本$5.38/kg），为污水和雨水处理提供了绿色解决方案。此外，研究首次系统评估了铁涂层钢渣的磷酸盐回收潜力，填补了文献空白。未来工作可探索其他涂层方法（如电化学或替代铁源）以及大规模应用中的工程优化，以进一步推动磷资源的循环利用和富营养化控制。

总之，这项研究不仅深化了对铁基吸附材料机制的理解，还为工业副产物增值化和环境可持续性提供了实践路径，具有重要的科学和工程意义。