将化学抛光废水升级改造为分级CSH-CH复合材料以实现快速多金属去除和植物毒性缓解

《Environmental Research》：Upcycling chemical polishing effluent into a hierarchical CSH-CH composite for rapid multi-metal removal and phytotoxicity mitigation

　　

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  1.CSH-CH直接由真实化学抛光废水合成。
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  2.CSH-CH在30-60分钟内去除五种共存重金属。
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  3.螯合过程受离子交换、表面络合和沉淀控制。
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  4.CSH-CH处理抑制了豌豆幼苗中的金属吸收和植物毒性。

引言

化学抛光及相关湿化学精加工工艺是高价值组件制造中不可或缺的一环，可实现表面粗糙度的受控去除、粗糙度降低、机械损伤层的消除，以及耐腐蚀、功能性或装饰性表面的生成（Basha等，2022；Lee等，2022）。这一环境外部效应并非偶然，而是内在于该过程的减材本质。所需表面通过基底的化学溶解产生，不可避免地会将废抛光试剂、溶解的金属或类金属物种、盐类和工艺添加剂带入水相废物流（Ren等，2025；Shi等，2024；Sun等，2022）。然而，不应将化学抛光废水（CPE）视为成分均一的废水类别。其酸碱性、主要阴离子、金属组成、盐度和缓冲能力随加工基材、槽液配方、槽液老化程度和冲洗规程而显著变化。例如，近期关于铝抛光的研究主要关注含溶解铝和残余硫酸的酸性富磷酸盐流，而本文研究的真实CPE则呈强碱性、高盐度，并富含溶解硅酸盐和含钠物种（Chen等，2023；Lai等，2025；Lee等，2022）。这一区别至关重要，因为CPE的环境风险和可处理性不仅取决于废水总量或整体污染物浓度，还取决于水相形态、离子强度、腐蚀性、酸碱需求以及基质在传统中和沉淀过程中产生大量二次污泥的倾向（Kundu等，2022；Singh等，2023；Yadav等，2022）。

因此，近期改进CPE可持续管理的努力开始从污染物降解转向酸、金属、磷和能源的选择性回收。代表性方法包括铁-空气电化学处理结合pH调控以同时去除污染物、回收铝/磷并发电；电渗析与铁接触处理及碱性中和相结合以实现深度净化和磷回收；以及溶剂共萃取以从废铝抛光液中再生磷酸和硫酸（Chen等，2023；Lai等，2025）。这些研究证实CPE含有可回收的化学价值，但也暴露了现行处理理念的根本局限性。大多数报道的工艺通过多个紧密控制的单元操作将废水基质分解为单独的产物和残余流。因此，性能对进料变异敏感，且膜浓缩液、萃取残渣、盐水废液或低价值沉淀物可能仍需要下游管理。更广泛的废水处理文献相应地强调了从末端污染物去除向资源回收、选择性转化和增值产品制造的转变（Hao等，2024；Zheng等，2024）。对于CPE而言，更具雄心的目标不仅是回收一种可溶性组分，而是利用废物流的集体化学组成作为可重复利用功能材料的原料（Sun等，2022）。

利用废物流自身的化学组成构建功能螯合剂的目标日益指向CPE的直接矿化，因为其溶解硅酸盐已以化学可利用的单体或低聚物形式存在，因此可以直接发生硅酸钙缔合、成核和沉淀，这与从碱性液体制备CSH不同（Qi等，2022b；Qi等，2022c），也与从高炉渣、钢渣、萤石尾矿和煤粉煤灰中制备CSH不同——后者需要机械化学活化、长时间研磨或水热处理才能从致密矿物晶格中释放活性钙和硅（Cui等，2024；Li等，2022；Qi等，2022a；Xing等，2024）。废液因此可同时作为硅源、反应介质和结构修饰离子的储库（Liu等，2024b；Zhang等，2017）。所得CSH相本身具有双重结构功能，作为一种缺陷丰富的层状托莫莫石相关硅酸钙，其层间钙物种（Aretxabaleta等，2023；Ruiz-Agudo和Coelfen，2024；Shirani等，2023）、配位不足的氧原子和硅羟基既支持结构性离子交换（Li等，2021；Liu等，2024a；Liu等，2024b；Qiao等，2023），也支持内层表面络合，如Cu²⁺固定化研究所表明，金属吸收受层间钙取代和Si–O–Cu配位环境形成共同控制（Baldermann等，2021）。共存的氢氧化钙（CH）相作为动态的Ca²⁺/OH^-储库补充了这一框架，缓冲界面碱性并驱动局部金属氢氧化物沉淀，从而在单一低成本废物衍生螯合剂中整合了离子交换、表面络合、结构纳入和矿物沉淀（Wang等，2025a；Zhang等，2024）。然而，当这种复合材料直接由含杂质的真实CPE基质合成时，能否同时实现多种共存重金属的高容量螯合并确保处理水的生态安全性，在很大程度上仍未被探索。

本文直接从真实CPE合成了CSH-CH复合材料，未添加外部硅前驱体，并系统评估了其对五种代表性重金属（Cd²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺和Ni²⁺）的同时去除效果，考察了关键操作参数（初始pH、吸附剂用量、接触时间和共存离子）的影响，同时评估了其在真实水基质中的性能及其在反复吸附-再生循环中的可重复利用性。为阐明潜在的化学相互作用，采用材料表征结合动力学和等温线分析揭示了由离子交换、表面络合和碱性诱导沉淀相互作用控制的协同螯合机制。关键的是，研究从水相去污染扩展到评估材料的生态安全性，使用水培Pisum sativum（豌豆）幼苗在多金属胁迫下进行试验；这些试验证实CSH-CH处理抑制了根到茎的金属转位并缓解了多金属植物毒性。总之，本工作推进了面向资源的CPE管理策略，为将危险工业废水转化为有效且生态安全的重金属废水修复材料提供了可扩展的低成本途径。

章节摘要

化学试剂与材料

所有化学品均为分析纯，未经进一步纯化直接使用。用作硅酸盐前驱体的真实化学抛光废水（CPE）来自中国湖南省长沙市浏阳市（东经113°6′，北纬28°1′）的一家玻璃制造厂。整个研究过程中使用单一代表性批次以确保实验的一致性。氧化钙（CaO，沉淀剂）、硝酸镉（Cd(NO₃)₂）、硫酸铜（CuSO₄）、硝酸锌（Zn(NO₃)₂）、硝酸铅

CPE的物理化学特性及CSH-CH的形成过程

为合理设计固体废物回收策略，首先对化学抛光废水的组成进行了表征。元素分析（表S1）显示，该基质呈强碱性、高离子强度，以钠（350 g/L）为主，并含有大量溶解硅（18.7 g/L）（Le等，2021），而内源性钙含量极低（0.018 g/L）。这种显著的化学计量失衡排除了硅酸盐自发沉淀的可能性，使得

结论

本研究建立了一种废物处理废物的闭环策略，将来自玻璃制造厂的真实化学抛光废水转化为高性能CSH-CH微复合材料用于多金属废水修复。结构和光谱证据表明，快速、高容量的M²⁺螯合源于三种协同界面过程：离子交换，其中可交换的Na⁺（保留自废水）和CSH-CH中的结构Ca²⁺

基金支持

本研究获得以下资助：国家自然科学基金委员会（52600298和52470147）、湖南农业大学青年交叉学科学者支持项目（2024XKJC03）以及中国教育部长沙市研究基金会（24A0150）。

CRediT作者贡献声明

Peng Yu：资源、基金获取。Yuyan Liu：写作 – 原稿、可视化、调查、数据整理。Jiaying Shen：调查。Wei Huang：写作 – 审阅与编辑、监督、概念化。Zhiguo Wang：项目管理。Chun Zhang：监督。Jiajia Wang：方法论。Chunhui Li：监督

数据和材料的可用性

本研究期间生成和/或分析的数据集可向通讯作者合理请求获取。

声明

作者声明无财务利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

Peng Yu|Yuyan Liu|Jiaying Shen|Zhiguo Wang|Chun Zhang|Jiajia Wang|Chunhui Li|Wei Huang