利用两种基于煤炭的固体废弃物制备一种漂浮型光催化剂：这种光催化剂由煤气化过程中产生的细渣制成的负载Fe?O?的碳泡沫构成，可用于户外废水处理

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Fabrication of a floating photocatalyst from two coal-based solid wastes: Fe 3O 4-loaded carbon foam derived from coal gasification fine slag for outdoor wastewater treatment

　　• 通过利用煤基固体废物制备了负载Fe3O4的多孔碳泡沫。• 甲基蓝和结晶紫在80分钟内被降解超过99%。• 该材料在户外自然阳光下对废水降解有效。• 通过检测和分析关键中间体阐明了降解机制。

引言
在全球能源供应不稳定的背景下，煤炭仍然是确保能源安全和发展的重要能源。特别是对于那些煤炭资源丰富但油气资源相对匮乏的国家和地区，煤炭不仅是一种重要的能源，也是一种关键的化学原料。煤的气化技术是清洁高效利用煤炭的核心技术之一（[39]；Yuan等人，2022年），它代表了高效转化煤炭资源的重要途径[13]。通过气化得到的清洁合成气可以用于生产合成天然气、费托合成燃料、甲醇以及下游产品如烯烃和芳香化合物。气流床气化技术是目前主要的气化方法。在这一过程中，煤颗粒中的有机成分被转化为合成气，而无机矿物成分和未完全氧化的碳质材料则以熔融渣的形式从气化器中排出，形成典型的煤基固体废物——煤气化渣。煤气化细渣（CGFS）是在煤气化过程中生成合成气时随气体流出气化器而产生的细颗粒物（Ren等人，2023年；Han等人，2025年；Qiao等人，2022年）。作为煤炭消耗大国，中国每年产生超过7000万吨CGFS，虽然总量巨大，但综合利用率较低（Miao等人，2024年）。由于现有处理技术的成本高昂和效率有限，大多数CGFS仍通过直接填埋或堆放方式进行处置（Wang等人，2023年；[43]，[5]；Sun等人，2024年；[8]）。这不仅导致资源的大量浪费，还持续对环境造成负担。因此，高效处理和利用CGFS成为煤炭化工产业基地面临的关键挑战[30]。
由于CGFS在气化器中的停留时间较短且煤炭转化率较低，其通常含有较高的残余碳含量，导致密度低且颗粒尺寸极细（大多低于150微米）（Ren等人，2023年）。在细渣中，由于表面张力的作用，无机成分倾向于形成球形颗粒，主要由铝硅酸盐组成，并含有少量的金属氧化物如CaO和Fe2O3，而残余碳则以多孔不规则颗粒的形式存在[1]。对CGFS的物理化学性质分析表明，它主要由残余碳和矿物质组成，具有丰富的孔结构和较高的比表面积。吴等人（Wu等人，[32]）对气化渣中残余碳的孔结构进行了深入研究，发现与原煤中的碳相比，CGFS中的残余碳具有更高的比表面积和更大的平均孔径。

由于这些特性，CGFS在多孔材料制备领域引起了关注。朱等人（Zhu等人，[44]）采用酸浸法制备了碳-硅介孔复合材料，并通过改变浸渍条件系统研究了气化细渣的成孔行为，显示出良好的硝酸根离子吸附性能[21]。乔等人（Qiao等人，[22]）通过简单的活化处理成功将CGFS转化为多功能多孔碳-硅复合材料，在298 K下对甲基蓝的平衡吸附容量达到了208.44 mg/g。吴等人（Wu等人，[33]）通过在碱性条件下原位转化CGFS制备了P型沸石/碳复合材料，对结晶紫的吸附容量达到了625 mg/g[15]。苗等人（Miao等人，[16]）通过化学活化和水热处理气化细渣中的富碳成分，合成了一种新型的多孔复合材料用于捕获二氧化碳[41]。袁等人（Yuan等人，[40]）使用CGFS作为原料成功制备了ZSM-5沸石，在废水吸附方面表现出优异的性能。
除了CGFS外，费托合成废渣也是间接煤液化过程中产生的典型危险固体废物。这种废物主要由蜡质烃（约40%至60%）和铁基催化剂残余物组成[24]。由于其高蜡含量，这种物质易燃，在长期储存过程中容易因热量积聚而自燃。暴露在开放环境中时，它对周围生态系统和人类健康构成重大风险。目前，这种危险废物的主要处理方法是焚烧。然而，这种方法不仅无法实现废物的资源化利用，还会产生二次污染物并排放大量温室气体[14]。因此，迫切需要开发新的废物处理技术。
然而，这些高价值利用过程通常依赖于大量的酸试剂来净化和活化CGFS，这引发了环境问题。此外，单纯的吸附技术也面临诸如饱和吸附剂再生的困难和废吸附剂处置等问题。相比之下，光催化降解技术作为一种由光能驱动的先进污染控制方法，能够通过一系列氧化还原反应在太阳能照射下高效矿化有机污染物。由于其反应条件温和、过程清洁且没有二次污染，它受到了广泛关注[3]。吴等人（Wu等人，[34]）使用废弃柚子皮作为生物模板和碳源，通过两步旋转浸渍-煅烧仿生方法原位构建了一种掺杂钌的二氧化钛/柚子皮生物炭复合光催化系统。该系统在模拟阳光下对罗丹明B的降解率达99.12%，对甲基蓝的降解率达100%，对甲基橙的降解率达99.06%，表现出优异的广谱降解性能。Sibakrishna等人（Pedina，Jena）通过物理化学活化将椰壳转化为颗粒活性炭，并采用热浸渍和溶胶-凝胶方法制备了TiO2/活性炭复合材料。该材料在直射阳光下对孔雀石绿染料的降解效率最高达99.25%。此外，铁基材料，特别是Fe3O4，在光催化领域显示出了广阔的潜力。Rajabathar等人（Rajabthar等人，[25]）使用溶胶-凝胶方法制备了Fe3O4/TiO2纳米复合材料，并系统研究了它们在自然光下对甲基蓝的光催化性能。结果表明，Fe3O4纳米颗粒和Fe3O4/TiO2复合材料在70分钟内对甲基蓝的降解率分别达到了62.67%和97%。Malhotra等人（Malhotra等人，[17]）使用硝酸铁、硫酸亚铁和葡萄糖作为前驱体，通过溶液燃烧法制备了Fe3O4/α-Fe2O3/C三元纳米复合材料，并系统评估了该材料在光催化、芬顿和光芬顿体系中对甲基蓝的降解性能。研究发现，在可见光LED和过氧化氢的协同作用下，该材料在光芬顿过程中75分钟内对甲基蓝的降解率达到96.56%。Maruthupandy等人（Maruthupandy等人，[18]）使用一步水热方法制备了壳聚糖改性的Fe3O4纳米球，经过60分钟的可见光照射后对刚果红染料的降解效率达到了98%。这些研究不仅展示了各种废物衍生材料在光催化领域的潜力，还为开发低成本、高效且易于回收的太阳驱动废水处理技术提供了重要参考，进一步突显了利用工业固体废物制备光催化材料处理废物的可行性和环境价值。
因此，利用煤化工废物制备低成本、高效的光催化材料用于废水降解可以实现“以废物处理废物”的可持续目标。本研究采用了两种典型的煤化工固体废物——煤气化细渣中的富碳成分和费托合成铁基废催化剂——作为原料，制备了用于户外染料废水浮雕光催化降解的Fe3O4负载碳泡沫复合材料。与容易发生沉淀、光渗透性差、团聚和难以回收的粉末状光催化剂相比，三维Fe3O4负载碳泡沫具有多孔结构，可以实现高吸附性能、磁分离性、增强浮力的光/O2利用以及整体完整性，防止颗粒损失和二次污染，同时便于实际操作。该材料通过其高比表面积吸附并富集污染物分子，并通过Fe3O4和碳框架的协同效应实现高效的光催化降解。这项工作不仅为工业固体废物和生物质资源的高价值利用提供了新的方法，还为从源头到终点的绿色高效废水处理技术的开发提供了全面的解决方案。

材料
本研究使用了两种主要原料：来自中国陕西某煤化工企业的煤气化细渣（CGFS）中的富碳成分（RC）和来自中国宁夏某煤制液公司的费托合成铁基废催化剂（WC）。所有使用的化学试剂均为分析级，购自中国新华药业试剂有限公司。这些试剂包括：纤维素粉、尿素（CO(NH2)2）、氢氧化钠（NaOH）。

形态分析
碳凝胶及其对应的碳化泡沫（CFs），具体来说是1.6Fe3O4/RC-CF、Fe3O4-CF、RC-CF和纯CF的宏观外观如图1所示。纯纤维素水凝胶干燥后形成了白色碳凝胶。经过碳化后，其体积显著收缩形成了纯CF。相比之下，掺杂了Fe3O4的碳凝胶呈棕色，并在碳化过程中经历了明显的收缩。值得注意的是，RC-CF样品由于...

结论
本研究成功制备了三维多孔Fe3O4负载碳泡沫复合材料（Fe3O4/RC-CF），主要原料为煤气化细渣（CGFS）中的富碳成分（RC）和费托合成铁基废催化剂。材料表征结果表明，引入RC有效稳定了碳泡沫骨架，在碳化过程中保持了其完整的三维结构。

引用参考文献
[23], [28], [31], [4], [7]

CRedI作者贡献声明
王佳飞：方法学、监督
白永辉：监督、研究
宋旭东：研究、监督
吕鹏：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念化、方法学
杨立勤：研究、监督
马晓林：撰写 – 初稿、数据整理、概念化、研究、方法学
于广锁：方法学、资金获取、监督
苏伟光：研究、监督
魏俊涛：方法学、研究

利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或可能影响本文工作的个人关系。

致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号U23A20131）和中国国家重点研发计划（项目编号2023YFC3904302）的共同支持。

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