《Journal of Environmental Chemical Engineering》：FeS-Modified Fly Ash–Derived Mg–Al Layered Double Hydroxides for Efficient Hg(II) Removal from Wastewater
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摘要废水中汞（Hg(II)）污染因其毒性和迁移性而构成严重的环境风险。本研究开发了一种FeS修饰的粉煤灰衍生Mg–Al层状双氢氧化物（FeS–FA–LDH），用于高效去除Hg(II)，通过整合粉煤灰资源化利用与含硫功能化。所合成的FeS–FA–LDH在优化条件下（pH 7，0
摘要
废水中汞（Hg(II)）污染因其毒性和迁移性而构成严重的环境风险。本研究开发了一种FeS修饰的粉煤灰衍生Mg–Al层状双氢氧化物（FeS–FA–LDH），用于高效去除Hg(II)，通过整合粉煤灰资源化利用与含硫功能化。所合成的FeS–FA–LDH在优化条件下（pH 7，0.5 g/L投加量）实现了超过99%的Hg(II)去除率，实验吸附量为125.07 mg/g。相比之下，原始FA–LDH的实验吸附量仅为6.24 mg/g，表明FeS功能化带来了显著提升。吸附动力学符合准二级动力学模型，平衡数据最好由S形等温线模型描述。Langmuir模型得出的最大吸附容量在298 K时为322 mg/g。Hg(II)的去除与Hg(II)和FeS相中含硫位点之间的强相互作用有关，导致通过Hg–S介导的固定化。Mg–Al LDH基质为FeS功能化提供结构框架，而FeS提供参与Hg(II)固定化的含硫位点。含硫功能化与粉煤灰衍生LDH基质的结合为Hg(II)固定化提供了一种有效策略，同时实现了粉煤灰的资源化利用。
引言
水环境中汞污染因极高的毒性、持久性和生物富集性而受到日益关注的担忧[1]。即使在痕量浓度下，Hg(II)也能在水生系统中高效转化为甲基汞，通过食物链累积导致严重的神经和发育毒性[2]。溶解态Hg(II)物种在水系统中具有高度迁移性，使其去除尤为困难。含汞废水通常产生于有色金属冶炼、氯碱生产和化工制造过程[3]。因此，有效去除废水中的Hg(II)仍然是环境保护和水处理工程中的关键挑战。
目前已开发出多种汞去除技术，包括化学沉淀、膜过滤、离子交换、吸附和电化学方法[4]。然而，这些方法通常存在固有的局限性，如二次污染、高能耗、操作复杂以及对Hg(II)选择性有限，限制了其在复杂废水系统中的实际应用[5]。在这些方法中，吸附因其操作简单、效率高且适应不同水质基质的特性而被广泛认为是最有前景的策略之一[6]。吸附过程的性能强烈依赖于吸附剂的化学性质和表面功能特性，因此表面工程成为提高Hg(II)捕获效率的关键途径。
含硫功能化已被广泛认为是一种增强Hg(II)吸附的有效策略，因为含硫基团能与Hg(II)形成强而稳定的Hg–S配位键[7]、[8]。如表1所述，大量含硫改性吸附剂，如巯基功能化活性炭[9]、[10]、掺杂硫的生物炭[11]和基于聚合物的托贝莫来石[12]，均显示出对汞的高亲和力。在含硫材料中，硫化亚铁（FeS）因其高反应活性和对Hg(II)的强亲和力而受到特别关注，能够通过化学吸附和硫化物驱动沉淀过程高效捕获汞[13]、[14]、[15]、[16]。然而，FeS纳米颗粒倾向于团聚且活性位点暴露有限，这显著限制了其实际应用性能。因此，构建合适的支撑基质以稳定FeS并增强界面可及性是非常必要的。
层状双氢氧化物（LDHs）因其可调控的组成、结构稳定性和环境相容性而日益受到关注，被认为是前景广阔的吸附材料[25]。特别是Mg–Al LDHs，由于其低毒性、结构稳定性和相对简单的合成方法而得到了广泛研究。然而，原始Mg–Al LDHs通常对Hg(II)表现出较弱的亲和力，因为其以羟基为主的表面与汞物种之间的相互作用较弱。因此，表面功能化对于引入强结合位点同时保持结构稳定性至关重要。
从实际应用角度来看，基于LDH的吸附剂的大规模应用还受到金属前驱体高成本的制约。传统合成依赖于纯化的Mg和Al盐，这增加了生产成本和环境负担[26]、[27]。相比之下，粉煤灰等工业固体废物富含铝硅酸盐成分，可作为LDH合成的低成本替代前驱体[28]、[29]、[30]、[31]。特别是准噶尔地区的煤粉煤灰含有丰富的含铝相，使其成为构建功能性LDH材料的理想原料。其利用不仅降低了材料成本，还实现了将工业废物转化为高价值环境材料的资源化利用。
本研究设计并合成了一种源自高铝粉煤灰的FeS修饰Mg–Al层状双氢氧化物（FeS–FA–LDH），用于从水溶液中高效去除Hg(II)。在该异质结构中，FeS提供强Hg–S结合位点，而LDH基质稳定FeS分散并防止团聚，从而增强活性位点的可及性。系统研究了复合材料的结构特征、表面化学和吸附行为。通过批次吸附实验结合动力学、等温线和光谱分析阐明了吸附机理。结果表明，FeS与粉煤灰衍生LDH之间的界面耦合显著增强了Hg(II)固定化性能，为含汞废水处理提供了一种有效策略。
章节摘要
样品与试剂
粉煤灰（FA）样品采集自中国内蒙古准格尔旗的一座燃煤电厂。使用前，样品经过充分均化并在105 ℃下干燥24 h。所有化学试剂均为分析纯，未经进一步纯化直接使用，包括氢氧化钠（NaOH）、盐酸（HCl）、尿素（CO(NH2)2）、六水氯化镁（MgCl2·6H2O）、七水硫酸亚铁（FeSO4·7H2O）、九水硫化钠（Na2S·9H2O），均购自
FeS–FA–LDH的表征
通过XRF分析（表2）评估了FeS修饰前后FA–LDH的整体组成。原始样品以MgO（58.59 wt%）和Al2O3（37.70 wt%）为主，与源自粉煤灰的Mg–Al层状双氢氧化物的形成一致。同时还存在少量CaO（1.82 wt%）和Fe2O3（1.39 wt%），来源于前驱体中的残余矿物。FeS修饰后，Fe2O3（24.92 wt%）和SO3（24.89 wt%）含量显著增加，
结论
本研究成功合成了一种FeS修饰的粉煤灰衍生Mg–Al层状双氢氧化物（FeS–FA–LDH），并评估了其从水溶液中去除Hg(II)的性能。主要结论如下：
（1）FeS功能化显著增强了粉煤灰衍生Mg–Al LDH的Hg(II)去除性能。FeS负载量优化为约25 wt%，FeS–FA–LDH复合材料在优化吸附条件下表现出高效的Hg(II)去除能力。吸附
CRediT作者贡献声明
刘启荣：可视化、调查研究。龙鑫：可视化、调查研究。刘成：撰写—初稿、方法论、调查研究、概念构思。周长春：撰写—审稿与编辑、监督指导、项目管理。张宁宁：撰写—审稿与编辑、监督指导、概念构思。张翔：撰写—审稿与编辑、方法论。谢宇：调查研究、概念构思。温志平：可视化、调查研究。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
作者感谢中央高校基本科研业务费专项资金（XJ2025013901）以及国家自然科学基金（NSFC）（92475204 & 52504318）的支持。
刘成|龙鑫|刘启荣|温志平|谢宇|张翔|张宁宁|周长春
教育部煤炭加工与高效利用重点实验室，中国矿业大学化工学院，徐州 221116，中国
