CREST | 新加坡国立大学Chen团队：镧基材料吸附无机污染物净化水的研究进展

导 读

新加坡国立大学J. Paul Chen团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“镧基材料吸附无机污染物净化水的研究进展（Critical review on lanthanum-based materials used for water purification through adsorption of inorganic contaminants"; 2022, 52(10): 1773-1823）”的综述。

水污染是一个严重的全球性环境问题，会对人类和生态环境产生危害。吸附是一种成熟的处理工艺，已被水工业普遍采用。采用创新吸附材料的新型吸附技术具有处理效率高、成本低、再生和再利用能力强、操作简便等优点。镧基吸附剂对于去除水溶液中的几种常见无机污染物非常有效。本研究从镧（La）的特性、镧基吸附剂在实验室及工业上的研究和镧支撑材料的优势及镧在复合吸附剂中的作用三个层面出发，总结梳理了工作机制和应用前景，使读者更好地了解镧基吸附剂及其应用。

图1 图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

镧的物理和化学特性很大程度上取决于电子构型。镧很容易形成稳定的La³⁺离子，在镧上形成的离子络合物很可能被更多的电负性配体取代。镧的吸附密度（被吸附物与镧的摩尔比）大多较高，表明镧是吸附废水中污染物最有效的元素之一。以磷酸盐物种为例，在酸性条件下，即使水溶液中的镧浓度较低，它们也能形成不溶性的镧-磷酸盐络合物。考虑到相对较低的材料成本和出色的应用性能，镧值得进一步研究。

镧沉淀物可直接用作去除阴离子的有效吸附剂。此外，为了提高吸附性能，镧已广泛掺入几种类型的支撑材料中。氧化镧/氢氧化镧（LO/LH）在合成过程中，羟基官能团（OH）在吸附剂表面形成，负责去除某些污染物，如磷酸盐、氟化物和砷。此外，LO/LH还通过静电吸引吸附污染物。LO/LH的吸附性能强烈依赖于溶液的pH值，并受到水溶液中其他成分的影响。碳酸镧（LC）是另一种对阴离子具有良好吸附能力的镧化合物。另外，还可以在传统金属氧化物的制造中使用镧作为掺杂剂。镧可以与常规金属（例如铁和铝）混合，以制造对某些阴离子污染物具有特殊亲和力的混合金属复合材料。1:3 Fe-La水合物（氧化物）的最大吸附量为235.4 mg/g。Mn-La 复合材料对氟离子表现出高亲和力，在pH 5时最大吸附容量为 292.9 mg/g。基于镧的吸附剂都具有细粒度，导致操作后分离有难度。因此，开发了掺镧磁铁矿吸附剂以实现有效吸附和更好的分离。镧掺杂的TiO₂被研究用于去除如砂砾、氟化物和铅等几种无机污染物。层状双氢氧化物 (LDH)代表一组粘土材料，由具有可交换阴离子的二价和三价阳离子层组成。镧可以加入到LDH中以提高吸附性能。镧可以加入到多种支撑材料中，以解决结块、不适合柱操作等问题并提高材料的性能。作为最重要的介孔材料之一，沸石适合作为镧掺入的载体。碳材料可以很容易地修改并且有利于各种应用。利用粘土处理含磷酸盐的水是一种环境友好且经济的方法。非金属氧化物具有单分散结构、单孔分布、高孔隙率和高度有序的介孔结构等优点。通过将镧引入这些材料的结构，可以开发出高效的吸附剂。金属-有机骨架（MOFs）是一组由金属-氧簇和有机结构单元组成的混合多孔材料。镧可用于修饰MOFs以提高水稳定性。

基于镧的吸附剂为处理受污染的天然水和工业废水提供了更好的选择，特别是对于高度污染的废水。表1列出了用于水处理的镧基吸附剂和常规吸附剂，以及吸附容量、最佳pH范围、可重复使用性和估计成本等关键信息。吸附性能取决于几个重要因素，如溶液的pH、离子强度、竞争物质、吸附剂的剂量、污染物的初始浓度和接触时间。镧基吸附剂的性能高度依赖于pH；更好的吸附通常发生在pH 4~8 并且没有镧浸出。纯镧化合物在处理过程中的主要挑战是吸附剂的收集，尤其是来自处理过的流出物的纳米级吸附剂。镧基吸附剂的稳定性是应用的另一个关注点。镧基吸附剂的成本比传统吸附剂的成本高，此外，镧基吸附剂的再生很复杂。

表1 镧基吸附剂与传统吸附剂之间的比较

总结与展望

镧作为一种稀土金属，因其在水处理和资源回收方面的突出性能而受到越来越多的关注。简单的镧化合物可以通过一些简单的方法合成，并且在去除阴离子污染物方面表现出卓越的性能。然而，需要大量的镧会使它们比传统的吸附剂更昂贵。在制造有效的镧吸附材料时添加铁和铝等低成本金属可以显着降低总体成本；合成后的吸附剂在吸附污染物方面表现良好。

然而，纳米结构的镧基吸附剂在使用后容易团聚，难以分离和再生。工业操作中优选柱吸附；然而，尺寸较小的吸附剂可能会限制它们的应用。因此，已经开发了掺入镧的载体吸附剂来克服这些缺点。它们中的大多数易于分离，并表现出良好的再生能力。尽管如此，吸附能力仍有一定的提升空间。

此外，通过将它们与常用吸附剂在吸附容量、最佳pH范围、可重复使用性和成本方面进行比较，讨论了这些吸附剂在工业应用中的前景。鉴于镧基吸附剂具有广阔的应用潜力，建议在镧基吸附剂的实际应用研究和工业级开发方面开展更多工作。

作者简介

第一作者简介：

Koh Yuen Koh，新加坡国立大学土木与环境工程系研究生，从事镧基材料在水处理中的应用，已在Crit Rev Environ Sci Technol和J Colloid Interf Sci期刊发表论文2篇。

通讯作者简介：

J. Paul Chen，新加坡国立大学土木与环境工程系客座副教授。研究兴趣是水和废水的物理化学处理以及化学和环境过程的数学建模，目前的研究活动包括通过功能化膜和吸附剂处理有毒金属离子、压载水管理系统、有机和金属废物处理的电化学技术以及环境过程的仪器和建模分析。入选英国工程与技术学会会士（2018年）、国际水协会会士（2018年）、英国皇家化学会会士（2018年）、英国海洋工程科学及技术院院士（2017年）、英国化学工程师协会会士（2017年），曾担任华侨环境工程与科学家协会主席（2004年）。

|撰稿：陈佳怡

|编排：曾镜羽

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