《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Synthesis of Mg/Al layered double hydroxides from Phosphorus?recovery residual waste liquid and investigation of its high?efficiency phosphate removal performance and mechanism in water.
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摘要铝基磷钝化剂（Al-PIA）脱附过程中产生的磷回收残余废液是一种富铝资源，具有很大的利用潜力。本研究将该废液作为替代铝源合成了镁铝层状双氢氧化物（Mg/Al-LDH-r），用于绿色吸附剂制备和高效除磷。同时合成了以传统铝源制备的Mg/Al-LDH-c作为对比。系统研究了两
摘要
铝基磷钝化剂（Al-PIA）脱附过程中产生的磷回收残余废液是一种富铝资源，具有很大的利用潜力。本研究将该废液作为替代铝源合成了镁铝层状双氢氧化物（Mg/Al-LDH-r），用于绿色吸附剂制备和高效除磷。同时合成了以传统铝源制备的Mg/Al-LDH-c作为对比。系统研究了两种材料的结构特性、pH和共存阴离子对磷吸附的影响、动力学、等温线、吸附机制以及可重复使用性。进一步采用两种实际水体基质（电子厂废水和二次沉淀池出水）来验证Mg/Al-LDH-r的工程应用潜力和环境安全性。结果表明，Mg/Al-LDH-r具有更高的结晶度和更有序的介孔结构。pH和共存阴离子对两种材料的影响相似（P > 0.05）。磷吸附符合拟二级动力学和Langmuir模型，以单分子层化学吸附为主。Mg/Al-LDH-r表现出更快的吸附动力学，最大磷吸附量为78.779 mg/g，比Mg/Al-LDH-c（64.775 mg/g）高出21.62%。主要吸附机制包括层间离子交换、表面配位交换和静电吸引。两种材料在五次循环后仍保持86.52%-88.50%的初始容量。Mg/Al-LDH-r在复杂实际水体中实现了稳定的除磷效果和可接受的环境安全性。总之，利用磷回收废液制备Mg/Al-LDH-r是水体磷修复的一种有前景的策略。
引言
磷（P）是生物生长和农业不可或缺的不可再生资源[1]。然而，大量磷排入环境不仅浪费了该资源，还引发了一系列环境问题——最突出的就是富营养化——严重威胁水生生态系统安全和人类健康[2]、[3]。因此，从水体中高效去除和回收磷对于公共卫生和可持续发展至关重要。现有的除磷技术包括化学沉淀[4]、膜过滤[5]、离子交换[6]、吸附[7]、生物过程[8]和高级氧化[9]。其中，吸附技术因其操作简便、成本低、能耗低、效率高且二次污染风险小等优点而获得广泛认可[10]。已报道的吸附剂包括氢氧化锆、方解石和铁氧化物尾矿等[11]。值得注意的是，层状双氢氧化物（LDHs）表现出优异的除磷性能，这归因于其高比表面积、结构稳定性、可调金属阳离子、化学稳定性、生物相容性和环境友好性。其在处理富磷废水方面的潜力正日益得到验证[12]、[13]。
LDHs的典型合成路线包括共沉淀法、水热法、尿素水解法、阴离子交换法和重构法等[14]。其中，共沉淀法因其操作简便、成本相对较低且制备效率较高而被广泛采用[15]。然而，传统的共沉淀法在瞬时高过饱和度条件下容易产生大量晶核，导致结晶度低[16]。所得纳米晶体容易团聚，难以精确控制粒径、形貌和晶体取向[15]。目前，LDHs的大规模工业生产仍然严重依赖纯化学试剂，这带来了巨大的成本和环境影响，从而限制了其大规模应用，也难以满足日益严格的监管要求。这些瓶颈共同推动了工艺升级，旨在提高环境兼容性、降低成本并提升材料质量。自21世纪初以来，替代原料和绿色合成策略的开发已成为主要研究方向[17]。
在LDHs合成的文献中，纯化学试剂的替代品包括天然地质资源（岩石和纯净矿物）、加工后的天然或工业资源（氧化物、氢氧化物）以及工业废弃物，如废水、赤泥、高炉渣、食物废弃物、脱硫石膏、铝渣、粉煤灰、页岩灰以及金属加工后的固体废物或废水。然而，天然矿物和金属资源受地理分布和开采条件限制，且在快速城市化进程中日益稀缺，难以建立稳定、低成本的供应链。相比之下，工业废弃物成分复杂且波动较大，通常需要繁琐的预处理和质量控制，增加了工艺负担和不确定性[17]。在此背景下，迫切需要开发兼具供应稳定性和环境兼容性的替代原料途径。基于此需求，本研究创新性地采用铝基磷钝化剂（Al-PIA，由本研究组独立开发，通过对污水处理厂污泥进行煅烧和改性而制备）再生过程中产生的富铝磷回收残余废液作为铝源。该残余废液来源于Al-PIA吸附磷酸盐后的再生过程。通过逐步滴加磷回收残余废液和化学镁源，使反应物的局部浓度保持在较低水平，从而建立温和的过饱和体系。该方法抑制了多晶核的瞬时形成，促进了层间结构的重排以及缺陷的修复。该方法旨在将废物转化为有价值的材料，从而推动绿色资源循环利用和结构-性能协同优化。
本研究的主要目标为：（1）使用纯化学试剂合成商用Mg/Al-LDHs（Mg/Al-LDH-c），并使用磷回收残余废液作为铝源合成Mg/Al-LDH-r，Mg:Al比均为2:1；（2）通过X射线衍射（XRD）、Brunauer-Emmett-Teller（BET）和扫描电子显微镜（SEM）对两种材料进行系统表征，比较其理化性质并量化试剂成本差异；（3）评估pH和共存阴离子对其吸附性能的影响；（4）结合吸附动力学、吸附等温线、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）和Zeta电位分析阐明吸附机制；（5）评估Mg/Al-LDH-c和Mg/Al-LDH-r的可重复使用性；（6）评估Mg/Al-LDH-r在实际废水中的应用潜力。
章节摘要
材料与试剂
磷回收残余废液是从铝基磷锁固吸附剂（Al-PIA）使用后的脱附液中回收磷酸盐后剩余的溶液。Al-PIA在吸附磷酸盐后经以下条件脱附以回收磷：1 mol/L HCl，液固比为10 mL/g，以50 r/min震荡1 小时，共计9次脱附循环。在这些条件下，铝浸出浓度达到约5300 mg/L。
Mg/Al-LDH-c和Mg/Al-LDH-r的结构对比
两种吸附剂的XRD图谱、N2吸附-脱附等温线和孔径分布分别如图2(a)和(b)所示。SEM图像及对应的EDS谱图如图2(c)至(f)所示，其理化性质汇总于表1。
如图2(a)所示，两种吸附剂的衍射峰与标准粉末衍射数据文件（#01-089-0460）高度吻合，显示出LDHs的特征结构。
结论
本研究成功利用磷回收残余废液作为传统铝源的替代品合成了Mg/Al-LDH-r，为Mg/Al-LDHs的合成提供了一种稳定且环保的原料替代方案。该方法同时解决了传统共沉淀法的持续缺陷——即瞬时多晶核导致结晶度低、晶体团聚以及难以精确控制粒径、形貌和
未来方向与展望
本研究已成功证明，使用磷回收残余废液作为铝源合成的Mg/Al-LDH-r，与使用传统试剂合成的对照材料相比，表现出更优异的结晶度、介孔有序性和磷酸盐吸附性能，以及良好的循环稳定性。该技术路线不仅实现了废液的资源化利用，还展示了制备高性能层状
CRediT作者贡献声明
周浩宇：写作—审阅与编辑、监督。周镇明：验证、监督、资源、资金获取、概念设计。李晶：写作—审阅与编辑、方法论、概念设计。陈文华：验证、监督。廖小兵：验证、监督。曹伟：可视化、监督、数据整理。李飞：形式分析、概念设计。杨华：形式分析、概念设计。
利益冲突声明
作者声明他们不存在已知的竞争经济利益或个人关系，这些利益关系或关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本研究得到国家自然科学基金（项目编号：51878300）、福建省校企合作项目（项目编号：2024Y4006）和厦门市自然科学基金（项目编号：3502Z202373041，项目编号：3502Z202473046）的支持。
李晶|周浩宇|杨华|李飞|曹伟|廖小兵|周镇明|陈文华
华侨大学 土木工程学院，福建 厦门 361021，中国
