《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Upcycling Coal Gangue into Amorphous Aluminosilicate via Topological Depolymerization for Cd/Pb Divergent Coordination and Immobilization
编辑推荐：
•通过定向拓扑解聚技术将煤矸石转化为JR-SF。•JR-SF具有富含NBO（Si-O?/Al-O?）位点的N-A-S-H网络结构。•JR-SF对Cd2+和Pb2+的吸附容量分别为218.62和402.25毫克/克。•JR-SF在水-土壤体系中能稳定固定镉和铅元素。•镉倾向于与Al
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通过定向拓扑解聚技术将煤矸石转化为JR-SF。
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JR-SF具有富含NBO（
Si-O?/
Al-O?）位点的N-A-S-H网络结构。
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JR-SF对Cd2+和Pb2+的吸附容量分别为218.62和402.25毫克/克。
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JR-SF在水-土壤体系中能稳定固定镉和铅元素。
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镉倾向于与Al-O?单齿配位，而铅则更易与Si/Al-O?桥式结构结合。
引言
镉和铅是全球重点关注的污染物，因其高毒性、持久性及生物累积性，会对环境和公共健康造成严重威胁[1]、[2]、[3]。这些重金属主要来自人类活动，如冶金冶炼、矿石加工、电镀以及含重金属固体废物的风化或浸出[4]、[5]。长期接触微量镉和铅会显著增加心血管疾病、肾毒性及神经行为障碍的风险，给环境管理带来巨大挑战[2]、[3]、[6]。目前用于处理水中镉和铅污染的传统方法，包括化学沉淀、膜分离和吸附，往往存在可持续性差、在复杂介质中效率低的问题，尤其是在金属浓度较低时[7]、[8]。具体而言，化学沉淀会产生不稳定且含水量高的有毒污泥；膜处理容易发生污染和结垢；传统吸附剂在存在竞争性离子干扰时也会失去吸附能力，如钙离子、镁离子和钠离子[9]、[10]。在固定床系统中，还存在传质区过长、过早穿透以及模型外推不确定等问题，难以同时实现稳定的处理效果、低成本和最少副产物生成[11]。此外，镉和铅的形态变化及其在水-土壤界面间的迁移也增加了处理难度，这些过程受pH值、氧化还原电位、氯离子、碳酸根离子和腐殖质等配体，以及外层/内层络合、表面沉淀、离子交换和与天然有机物的络合等多种因素影响[12]、[13]、[14]。因此，亟需开发高效、经济且环保的功能化材料，以实现水-土壤体系中镉和铅的同时去除。
煤矸石是煤炭开采过程中产生的主要固体废物，若大量堆积或发生有害成分渗漏，将会带来长期的生态风险[15]、[16]。在碳中和与循环经济的背景下，“以废治废”的策略为煤矸石的再利用提供了新途径，可通过替代高成本原料来制备具有附加价值的功能材料[17]。从矿物学角度看，煤矸石富含硅铝氧化物相，如高岭石、石英和伊利石，因此可作为制备铝硅酸盐基功能材料的理想前体[18]。对于这类功能材料而言，其对镉离子和铅离子的吸附能力与带负电的末端氧基团密切相关，即非桥接氧基团（NBO，
Si–O?/
Al–O?）[19]。这些氧基团可通过控制硅-氧-硅和硅-氧-铝键的断裂生成，从而促进镉离子和铅离子的离子交换及内层络合。目前已有热活化、酸碱处理和地质聚合物化等方法提升了煤矸石衍生材料的反应活性或表面性能。然而，单纯的热活化仅能在高温下使煤矸石矿物晶体发生物理破裂，虽能破坏铝硅酸盐的长程有序结构，却无法有效打破稳定的硅-氧-铝交联键[20]；而碱活化则仅会对矿物表面造成轻微侵蚀，导致煤矸石中的惰性矿物无法完全解聚，活性位点生成量有限[21]。显然，传统活化方法存在诸多缺陷，比如对目标活性位点的控制能力不足、碱活化过程中过度结晶会导致孔隙堵塞，以及比表面积与位点化学性质之间存在差异[22]。因此，需要采用组合策略来克服单一传统活化方法的不足，从而实现大量生成NBO位点，并显著提升重金属的吸附与固定能力。
本研究旨在通过定向拓扑解聚策略解决相关科学问题：（1）如何以可控且经济的方式从煤矸石中制备富含NBO的铝硅酸盐材料；（2）如何优化合成参数，抑制碱熔过程中的过度结晶和孔隙堵塞，同时构建稳定的无定形钠铝硅酸盐氢氧化物框架；（3）这些活性位点如何与镉和铅发生作用，以及其在固定床和土壤环境中的吸附性能和工程应用前景如何。本研究的具体目标包括：通过单因素优化实验和多尺度表征技术，明确NBO生成与关键制备参数（如煅烧时间和碱熔条件）之间的关系；通过批量吸附、固定床吸附和土壤培养试验，评估镉和铅的固定效果；通过密度泛函理论计算和X射线光电子能谱分析，揭示镉和铅在JR-SF表面的固定机制。
章节要点
材料与功能化方法
本研究中的煤矸石来自中国山西省 Shanxi Xiangyuan Qiyi Shanfu Coal Industry Co., Ltd.。该煤矸石的pH值为9.52，其他基本性质见表S1。首先，将原始煤矸石研磨后过200目筛，然后进行2小时的预煅烧。之后，将煅烧后的粉末与一定量的氢氧化钠混合，研磨5分钟，再在特定温度和时间下于马弗炉中进行碱熔处理。冷却后，即可得到目标材料。
制备参数的优化
为获得具有高吸附性能的优化结构无定形铝硅酸盐，本研究采用了预煅烧与碱熔相结合的策略。以镉离子的吸附容量作为主要性能指标来优化制备条件。首先研究的是预煅烧温度，因为这一参数直接影响高岭石的脱羟基反应以及后续硅酸盐和铝酸盐单元的解聚过程[20]。随着煅烧温度的升高
结论
本研究通过预煅烧与碱熔相结合的方法，从煤矸石中制备出了富含NBO的无定形铝硅酸盐。经过优化的JR-SF具有解聚型的N–A–S–H结构，且含有大量末端氧基位点。批量吸附试验表明，镉离子和铅离子的吸附过程呈现“快-慢”两阶段的特征，双指数动力学模型比伪一级/二级模型更具拟合度。吸附等温线也显示
CRediT作者贡献说明
高歌：研究工作、概念设计。裴鹏刚：论文初稿撰写、资金申请。孙月兵：论文审阅与编辑、研究指导。贾明阳：研究工作、数据分析。孙涛：结果可视化。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益关系或个人关联。
致谢
本研究得到了山西省基础研究计划（202303021222270）、国家自然科学基金（42307056）、山西省高等教育机构科技创新计划（2023L329）以及山西省研究生教育创新计划（2025 JG181）的支持。
Penggang Pei|Ge Gao|Mingyang Jia|Tao Sun|Yuebing Sun
