利用废弃活性污泥和膨润土制备矿物-碳纳米片，以增强染料吸附性能

《Environmental Research》：Construction of mineral-carbon nanosheet using waste activated sludge and Bentonite for boosting dye adsorption

本研究提出一种新型策略，利用废活性污泥（WAS）与蒙脱土（BT）合成矿物-碳纳米片（MCN），显著提升对甲基蓝（MB）的吸附性能。实验表明，BT促进WAS热解形成片状结构，暴露C-O-Si/C-O-Al活性位点，动力学吸附速率（0.000314 mg/(g·min)）和平衡吸附容量（90 mg/g）均优于传统活性炭（25.6 mg/g）。该技术实现污泥资源化利用与环境污染治理协同增效，为可持续环境修复提供低成本解决方案。

　　

荣国|王琳娜|张迪|姜传辉|钱国秀|吴永刚

安徽师范大学生态与环境学院，中国安徽省芜湖市九华路南189号，241002

摘要

工业过程中产生的废弃活性污泥（WAS）是主要的污染物，这一问题受到了广泛关注。适当的处理和资源利用对经济发展和环境保护具有重要意义。本文提出了一种新策略，即利用WAS与膨润土（BT）结合合成矿物-碳纳米片（MCN），以增强染料的吸附性能。实验结果表明，BT促进了WAS的热解，从而形成了片状结构，并在表面形成了C-O-Si/C-O-Al位点。这种复合材料对亚甲蓝（MB）的吸附性能得到了提升，其动力学吸附速率为0.000314 mg/(g/min)，平衡吸附容量为90 mg/g，而活性炭的相应数值分别为0.000423 mg/(g/min)和25.6 mg/g。光谱测试表明，C-O-Si/C-O-Al位点是主要的吸附位点，片状结构使得这些位点得以暴露，从而提高了吸附性能。本研究表明，WAS是一种有效的低成本碳吸附剂原料，为WAS的资源化和环境修复提供了一种可持续的策略，实现了“以废治废”的目标。

引言

废弃活性污泥（WAS）是工业化和城市化的副产品，由于经济和人口的增长，它已成为一个重要的环境问题（Wei等人，2020年）。据报道，全球每年产生的WAS量超过3亿吨（包括工业过程和居民生活产生的部分）（Kor-Bicakci和Eskicioglu，2019年）。WAS的处理方法主要分为物理方法和化学方法。物理处理方法如填埋、堆放和干燥，旨在封存有毒物质以防止二次污染（Yang等人，2015年）。化学处理方法包括厌氧消化以及从WAS中回收能量或有价值的产品（Marangon等人，2025年；Wang等人，2025年）。然而，这些方法带来了一些负面影响，限制了这些处理方法的可持续应用。例如，WAS被粗放地填埋，导致大量土地被占用（He等人，2018年）。WAS的渗滤液含有高浓度的重金属，这些重金属可以通过迁移和转化轻易对土壤和地下水造成二次污染（Drall等人，2025年）。此外，WAS还含有微生物、胞外聚合物以及氮和碳等丰富的营养元素。这些成分可以加工成具有高工业附加价值的产品（Kor-Bicakci和Eskicioglu，2019年）。因此，将WAS转化为工业产品对于环境保护和经济发展具有重要意义（Beesley等人，2011年）。

基于碳的材料因其耐酸碱性、机械稳定性和环保性而在各种工业过程和环境修复中得到广泛应用（Chen等人，2025年）。例如，高导电性的石墨烯和碳纳米管（CNTs）被用于电化学合成和污染物的还原（Xiong等人，2023年）。碳点和基于碳的聚合物被用作高级氧化过程的催化剂，用于处理有机污染物（Goyal等人，2025年；Manjupriya和Roopan，2021年；Rosso等人，2020年）。值得注意的是，活性炭和碳复合材料是具有应用潜力的吸附材料。活性炭的多孔结构（介孔和微孔）赋予了其较大的比表面积，从而非选择性地增强了吸附能力（Guan等人，2019年；Williams和Reed，2006年）。通过将碳与异质成分结合形成的碳复合材料在研究和应用中具有重要意义。一方面，适当的异质成分可以直接控制碳的生长，从而获得所需的形态（Ipeaiyeda等人，2020年）；另一方面，异质成分的多样性可以调节表面电子结构，优化碳官能团的类型。例如，Lv等人将零价铁封装在碳材料中，使得材料（Fe@C）含有高含量的细小Fe⁰，这种材料在净水方面表现出优异的性能（Lv等人，2021年）。因此，引入官能团和生成目标位点也需要添加异质成分。

膨润土（BT）属于这一类材料，具有丰富的化学组成（Si、Al、Ca、Mg、O等）（Hasan等人，2024年）。这些化学成分主要以氧化物的形式存在，形成了具有高度有序结晶性的多种规则微观结构（Laidani等人，2020年）。通常，二氧化硅-氧四面体和铝-氧八面体分别形成双层和单层晶体片，这赋予了BT一定的应用能力（Mohamed等人，2019年）。根据先前的研究，天然BT被广泛用作有机污染物的吸附剂，但其实际应用效果较低（Rawal等人，2016年）。为了提高其对有机污染物的吸附能力，人们主要研究了BT的表面改性技术。通常，表面活性剂可以有效地将官能团附着在Si/Al位点上，改善其物理化学性质（包括表面电位、疏水性和离子交换能力）（Zhao等人，2017年）。例如，可以通过阳离子交换将十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）引入BT表面，CTAB的疏水烷基链增加了对有机污染物的亲和力和吸附能力（Carvalho等人，2022年）。显然，这些技术完全依赖于外加改性的性质，而忽略了BT本身的固有优势（规则层状结构和丰富的Si/Al元素）。

如上所述，WAS含有丰富的有机物，因此非常适合作为基于碳的材料的原料（Rozada等人，2008年；Rozada等人，2005年）。BT的层状结构和无机元素分别可以作为有机成分的模板和锚定位点（Cao等人，2022年）。我们假设将两者结合可以产生含有丰富C-Si/Al-O位点的矿物-碳复合材料，并调控纳米层结构。这里需要澄清两个优势：（1）将碳引入无机Si/Al-O位点可以提高其疏水性和对有机物质的亲和力；（2）复合材料的层状结构可以完全暴露活性位点，从而增加容纳有机物质的能力。如果这一假设正确，所得到的矿物-碳复合材料可能成为去除有机污染物的潜在吸附剂。然而，WAS与BT的结合尚未得到充分探索；此外，矿物-碳片（MCS）在环境修复中的应用也尚未进行评估。

在本研究中，我们选择进一步处理WAS和BT作为原料，制备用于去除有机污染物的矿物-碳片吸附剂。探讨了以下几个方面：（1）合成过程中复合材料的转变；（2）使用亚甲蓝（MB）作为模型评估吸附能力；（3）探索主导机制。我们期望利用低成本的污泥和BT合成有价值的环境功能材料，为污染物的资源化利用提供支持。

化学物质

所使用的污泥来自宣城新塘羽毛工业园区污水处理厂的剩余污泥。活性污泥的成分和含量已在支持信息中列出。结果显示，有机成分占总量的74.98%，主要包括挥发性物质和固定碳（表S1）。元素分析仪（Elementar Unicube，德国）的结果表明，污泥中的典型有机元素含量超过80%（表S2）。

材料表征

不同WAS:BT比例的MCS制备过程在实验部分有详细描述。在合成过程中，有一个现象需要解释：纯WAS制成的活性炭表现出明显的硬化现象（图S1(a)）。这是因为WAS含有微生物细胞、胞外聚合物、蛋白质、大分子簇和胶体细胞基质，这些成分容易通过耦合效应结合在一起，形成

结论

本研究使用WAS和BT作为前驱体合成了MCS，膨润土作为骨架支撑，调控了催化活性炭的缺陷和石墨化程度。膨润土有效地增强了材料的结构稳定性，并优化了其表面性质，使得MCS的吸附性能显著优于原始碳材料和WAS。机理研究表明，在

CRediT作者贡献声明

王琳娜：撰写——审稿与编辑，形式分析。荣国：撰写——初稿，验证，方法学，形式分析，数据管理。姜传辉：验证。张迪：验证。钱国秀：验证。吴永刚：撰写——审稿与编辑，资金获取，数据管理，概念构思

创新性声明

• 我们工作的创新性包括：
• (1)
  我们提出了一种利用污泥资源制备矿物-碳纳米片（MCN）的策略。
• (2)
  在MCN上构建C-O-Si/C-O-Al位点显著提高了对亚甲蓝的吸附性能。
• (3)
  本研究提出的废弃活性污泥处理和环境修复相结合的方法，在实际应用中展示了经济和环境方面的意义。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家水污染防治科学技术重大项目（2015ZX07204-007-007）的支持。