煤飞灰增值转化为磁性可回收吸附剂用于水中PFOA去除

《Environmental Technology & Innovation》：Valorization of Industrial Coal Fly Ash into a Magnetically Recoverable Adsorbent for PFOA Removal from Water

　　

全氟和多氟烷基物质（PFAS）是持久性污染物，常规水处理工艺难以去除。研究人员将煤飞灰（FA）用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）功能化并负载Fe3O4，制备出一种废弃物衍生的磁性响应吸附剂用于全氟辛酸（PFOA）去除。FTIR、XRD、SEM–EDS、XPS及N2吸附–脱附分析证实了CTAB功能化、Fe3O4掺入及介孔复合结构形成。Mag–CTAB–FA的BET比表面积为82.35 m2 g?1，总孔体积0.224 cm3 g?1，平均孔径约10.88 nm。CTAB:FA质量比1:10性能最优，最终Mag–CTAB–FA在筛选条件下PFOA去除率达88.3%。吸附量随投加量显著上升，在宽pH范围有效，受温度影响小；初始PFOA浓度100 mg L?1时实验最大吸附量32.03 mg g?1，Langmuir模型拟合最大吸附容量38.10 mg g?1。动力学符合分形Vermeulen模型，Weber–Morris多段线性表明边界层传质与粒内扩散并存。192 h内Fe释放低于28.39 μg L?1（0.00011%），磁性相稳定。5次循环后容量保持89.7%，在加标市政废水中足量投加去除率可达99.9%。该材料集废弃物增值、高PFOA去除、磁性回收、低Fe释放与可重复用于一体，具水处理应用潜力。

研究背景方面，全氟和多氟烷基物质（PFAS）因强碳氟键、难生物降解及在环境与人体中累积，成为严峻的水污染难题；其中全氟辛酸（PFOA）在消防泡沫、不粘涂层等中广泛使用，常规混凝、活性污泥与过滤对其去除有限，离子交换、膜法与高级氧化成本高或产生浓液。吸附法虽简便，但活性炭、树脂与纳米材料成本高、分离难且在真实水体中受竞争离子干扰。煤飞灰（FA）作为燃煤副产铝硅酸盐废弃物量大价廉，表面可修饰但原灰对阴离子疏水污染物亲和力弱。因此研究人员提出将FA经CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）阳离子表面活性剂改性引入正电与疏水域，再负载Fe₃O₄赋予磁性，构建低成本、可磁分离、可再生的PFOA吸附剂，并在市政废水基质中验证。该文发表于《Environmental Technology》。

关键技术方法上，研究人员以阿联酋本地燃煤电厂FA为基底，依次通过CTAB水溶液60℃搅拌改性筛定1:10最佳比，再以FeCl₃·6H₂O/FeSO₄·7H₂O共沉淀法在CTAB–FA表面负载Fe₃O₄（抗坏血酸辅助还原，pH≈10），获得Mag–CTAB–FA。表征采用ATR-FTIR、XRD、SEM–EDS、N₂吸附–脱附（BET/BJH）、DLS、XPS及干态永磁定性响应；批次实验考察CTAB比、剂量、pH、温度、共存离子与离子强度，等温线（0.25–100 mg L^?1）与动力学用UPLC–MS测PFOA；循环再生用甲醇解吸；真实水样为阿联酋沙迦市政废水经微滤后加标1000 ppb PFOA。

研究结果各节要点如下。引言指出PFAS治理缺口与FA增值改性的合理性。材料与方法已如上述。表征确认CTAB成功接枝（FTIR烷基链与季铵峰、XPS N 1s）、Fe₃O₄晶相（XRD 30.1°/35.5°/62.6°等）与介孔结构（BET 82.35 m² g^?1，孔径10.88 nm），SEM显示颗粒包覆、EDS见Fe元素增加。批次优化中CTAB:FA=1:10去除率最高，Mag–CTAB–FA（88.3%）显著优于原FA、CTAB–FA与裸Fe₃O₄；剂量0.25→1.5 g L^?1去除率单调升，pH 2.2–10.4均有效（等电点偏移证实表面正电化），22–50℃波动小。等温线Langmuir拟合佳（q_max=38.10 mg g^?1，实验值32.03 mg g^?1@100 mg L^?1），Freundlich与Redlich–Peterson次之；动力学初速快，分形Vermeulen最优，Weber–Morris三段线表明边界层与粒内扩散协同。共存阴离子（Cl^?、SO₄^2?、NO₃^?等）与离子强度0–0.1 mol L^?1下去除率下降有限，说明选择性较好。5次吸附–解吸循环后容量保留89.7%；沙迦市政废水加标实验中2 g L^?1投加去除率达99.9%。Fe浸出192 h内＜28.39 μg L^?1，磁性相稳定。

讨论与结论部分，研究人员强调本工作并非提出新CTAB机制，而是把废弃物增值、表面功能化、磁分离、循环再生与真实废水验证集成于单一FA体系；Mag–CTAB–FA以工业残渣为骨架，CTAB提供正电/疏水双位点捕获阴离子PFOA，Fe₃O₄实现外磁场快速回收，规避了粉末吸附剂分离损失。结论为：CTAB:FA=1:10配合Fe₃O₄共沉淀可制得介孔磁性复合吸附剂，对PFOA具高去除率与Langmuir型单分子层吸附特征，宽pH适应、低铁溶出、五次再生后性能稳定，在加标市政废水中近完全去除，证明煤飞灰经简易改性即可转化为具工程潜力的磁性PFOA吸附剂。