从废弃活性污泥中回收磷酸铁作为锂离子电池正极材料前体的创新策略及其资源化潜力

本研究针对废水处理中废弃活性污泥(WAS)的磷(P)资源回收难题，开发了一种将酸性处理与磷酸铁(FePO4)沉淀相结合的新方法。研究人员通过优化酸处理pH值和沉淀条件，成功制备出高纯度FePO4（98.5%），并进一步合成了性能优异的LiFePO4/C正极材料。该材料在200mA/g电流密度下初始放电容量达110.2mAh/g，300次循环后容量保持率达99%。研究实现了从废物到高附加值产品的转化，为磷资源可持续管理提供了经济可行的解决方案。

　　

随着全球磷矿资源的日益枯竭，寻找可持续的磷资源替代方案已成为当务之急。废水中含有丰富的磷元素，其中超过90%的磷负荷最终富集在废水处理厂产生的废弃活性污泥(WAS)中。据统计，2023年中国污水处理厂干污泥产量已达1730万吨，所含磷资源可满足当年农业磷肥需求的11%。然而，传统的磷回收方法如鸟粪石沉淀等，需要在碱性条件下进行，不仅需要消耗大量碱剂，还容易产生非目标阳离子的共沉淀，降低产品纯度，更严重的是可能造成重金属在磷产品中的积累，带来农业应用风险。

针对这些挑战，清华大学环境学院的研究团队在《Resources, Conservation 》期刊上发表了一项创新研究，开发了一种从废弃活性污泥中回收磷酸铁(FePO₄)作为锂离子电池正极材料前体的新技术。这种方法不仅避免了传统回收方法的局限性，还将废物转化为高附加值的电池材料，为磷资源回收提供了新的解决方案。

研究人员采用的主要技术方法包括：对来自北京市某大型污水处理厂的废弃活性污泥进行硫酸酸处理；通过顺序磷分级分析技术解析污泥中磷的形态分布；在酸性浸出液中进行FePO₄沉淀实验并优化工艺参数；利用回收的FePO₄合成锂铁磷酸盐/碳(LiFePO₄/C)正极材料；通过电化学测试系统评估电池性能；采用多种表征手段(XRD、XPS、SEM等)分析材料特性。

研究结果方面：

通过酸性处理释放磷的研究发现，在pH≤2.0的强酸性条件下才能有效释放污泥中的磷，主要来自铝结合磷(Al-P)和铁结合磷(Fe-P)的溶解。在pH=2.0时，可溶性总磷(STP)占总磷(TP)的比例从5%增加到40%，磷释放效率达到53%。顺序磷分级分析显示，原污泥中NaOH-P(Al-P)占48%，BD-P(Fe-P)占18%，两者合计占主导地位。

在磷去除和磷酸盐产品特征方面，研究发现在Fe:P摩尔比为1:1、pH=1.6的条件下，磷去除效率达到78.9%，获得的FePO₄纯度达98.5%。XPS分析证实产品中磷以PO₄^3-形态存在，铁以Fe³⁺状态存在。产品中的重金属含量符合电池级标准(HG/T 4701-2021)，环境风险低。

在LiFePO₄基电池的制备及其性能评估中，研究表明合成的LiFePO₄/C在200mA/g电流密度下初始放电容量为110.2mAh/g，300次循环后容量保持率达99%，与商业LiFePO₄性能相当。循环伏安(CV)曲线显示良好的Li⁺提取和迁移可逆性，支持其电池应用的可行性。

成本效益分析表明，从废弃活性污泥中回收FePO₄的成本为6.04美元/千克磷，产品价值为9.72美元/千克磷，净经济效益为3.68美元/千克磷。与鸟粪石等传统磷回收产品相比，该方法显示出更好的经济性。

研究结论表明，该研究成功开发了一条从废弃活性污泥到锂离子电池正极材料的资源化途径。通过酸性处理有效释放磷，再通过酸性条件下的FePO₄沉淀获得高纯度产品，最终合成的LiFePO₄/C正极材料表现出优异的电化学性能。这种方法不仅解决了传统磷回收过程中的技术瓶颈，还为废弃活性污泥的高值化利用提供了新思路，对推动磷资源的可持续管理和循环经济发展具有重要意义。研究的成功实施证明了将废弃物转化为高附加值产品的可行性，为污水处理行业的资源回收提供了强有力的技术支撑和经济驱动。