Water Research |南昌大学谢显传团队:原位“以废治废”!稀土尾矿合合成电极,实现矿废水中NH4+高效去除与回收
▲ 第一作者：Wenrong Xiong Yalan Zhang
通讯作者：Xianchuan Xie
通讯单位： 南昌大学
稀土开采冶炼产生的尾矿和高氨氮废水带来严重环境问题，本研究以稀土尾矿（RET）为原料合成导电沸石，将其作为流动电极应用于流动电极电容去离子（FCDI）技术，实现矿废水中NH4+高效去除与回收。优化后的 FCDI 系统在 1.2 V、19.2 mL/min 流速、pH 4 条件下，对模拟废水NH4+去除率达 97.22%，吸附容量 195.45 mg/g；实际矿废水中NH4+去除率 90.49%，且负载氨的导电沸石重金属含量远低于国标，可作为缓释肥，1% 添加量使玉米株高提升近 3 倍、根长提升超 2 倍。该技术构建了尾矿利用 - 废水修复 - 农业应用的 “以废治废” 循环经济模式，为矿业绿色发展提供新路径。
稀土是现代工业关键原料，但其提取每年产生 50-70 亿吨尾矿，且铵盐萃取剂的使用导致矿废水含高浓度NH4+（如江西赣州稀土尾矿渗滤液NH4+达 3500-4000 mg/L）。尾矿堆积易造成重金属渗漏、地下水污染，高浓度NH4+则引发水体富营养化，威胁生态与饮用水安全，开发经济高效的尾矿与矿废水处理技术迫在眉睫。流动电极电容去离子（FCDI）是先进的电化学离子分离技术，具有离子分离效率高、操作简单、能耗低等优势，已被用于氨氮回收，但现有电极材料（活性炭、聚苯胺基介孔碳等）存在性能瓶颈，且未实现与稀土尾矿资源化的结合。沸石因多孔结构具有优异的NH4+离子交换能力，但导电性差限制了其在 FCDI 中的直接应用；而稀土尾矿富含SiO2和Al2O3，是合成沸石的理想前驱体。基于此，本研究从稀土尾矿合成导电沸石，兼具尾矿资源化与 FCDI 电极性能提升的双重价值，目前尚未有相关研究报道。本研究以稀土尾矿为原料，通过高温煅烧 - 水热法合成铝掺杂导电沸石（Al0.1/Al0.3/Al0.5），系统探究铝粉添加量对沸石理化与电化学性能的调控机制，筛选出最优性能的Al0.3导电沸石；优化 FCDI 系统操作参数，揭示导电沸石基 FCDI 去除回收NH4+的扩散 - 电泳 - 电吸附协同机制；通过实际稀土矿废水中试和玉米盆栽试验，验证技术的实际可行性与负载氨导电沸石的缓释肥应用潜力，首次构建了稀土矿业 “尾矿 - 废水 - 农业” 的闭环资源利用体系。材料合成与形貌表征核心信息
（1）1a：清晰展示导电沸石的合成流程 —— 稀土尾矿经研磨后与 NaOH1:1 混合，700℃煅烧 90 min，添加不同量铝粉调 Si/Al 比，80℃水热反应 12 h，洗涤干燥后得到导电沸石，工艺简单且原料为固废，符合资源化理念。（2）1b-1e：对比显示稀土尾矿为不规则团聚形貌，而Al0.3导电沸石形成规则多面体结晶结构（典型的 A 型沸石特征），且 O、Si、Na、Al 元素分布均匀，证明以尾矿为原料成功合成结晶态导电沸石。（1）3a-3b：XRD 显示添加 0.3 g 铝粉时 A 型导电沸石结晶度最高，铝粉过少生成方钠石、过多则降低结晶度；FT-IR 检测到 T-O-T 伸缩振动、四面体双环结构特征峰，证实沸石晶体骨架形成，Ca2+交换后Al0.3沸石比表面积从 14.3 m2/g 提升至 270.10 m2/g，微孔占比超 76%，大幅提升离子传输能力。（2）3c-3f：XPS 表明Al0.3沸石的 M-OH 含量实现材料亲水性与表面活性位点利用率的平衡，Na 1s 和 Al 2p 结合能偏移证明铝粉诱导电子结构重构；CV 和 EIS 显示Al0.3沸石比电容最高（2.32 F/g）、电阻最低；电导率测试中Al0.3沸石达 1137 μS/cm，为最优 FCDI 电极材料，证实铝粉添加量为 0.3 g 是调控沸石电化学性能的最佳条件。FCDI 系统参数优化核心信息
（1）4a-4e：系统探究了操作电压、流速、初始NH4+浓度、pH 对 FCDI 性能的影响，确定最优参数为 1.2 V（避免水电解）、19.2 mL/min（兼顾去除效率与能耗）、pH 4（沸石呈适度负 zeta 电位，增强NH4+静电吸附，且无NH3气态流失）；初始浓度 200 mg N/L 时，去除率达 97.22%，吸附容量 195.45 mg/g，远优于传统电极材料。（2）4f：12 h 六次吸附 - 解吸循环后，NH4+去除率仍保持 90% 以上，证明稀土尾矿基导电沸石具有优异的再生性能和长期使用稳定性，为实际工程应用奠定基础。（1）5a-5b：首次明确 FCDI 去除NH4+的协同机制 —— 电迁移（61.4%）为主要贡献，电吸附（43.3%）和扩散（18.2%）为辅，外部电压与导电沸石的高吸附容量共同推动NH4+从废水向电极迁移，且沸石吸附降低电极液中NH4+浓度，避免反向扩散。（2）5c：实际稀土矿废水处理中，2 h 内NH4+去除率达 90.49%，其中 79.52% 的NH4+被导电沸石直接吸附储存，仅 20.48% 存在于电极液相，证明该技术对实际矿废水的高效氨氮回收能力，且回收的氨主要富集于沸石中，为后续制备缓释肥提供基础。（1）6a：FCDI 系统对实际废水中K+、Ca2+、Mg2+去除率分别为 84.82%、63.71%、77.33%，Al3+、PO43−去除率近 100%；Ca2+、Mg2+为植物必需中量元素，其同步吸附进一步提升了沸石的肥效价值。（2）6b-6c：盆栽试验表明，导电沸石添加量为 1% 时效果最佳，玉米株高达 26.4 ± 0.4 cm（对照组仅 8.9 ± 2.7 cm，提升近 3 倍），鲜重也显著高于其他组；添加量 2% 时因降低土壤孔隙度抑制生长，确定了最优施肥比例；且沸石重金属含量符合《肥料中有毒有害物质的限量》（GB 38400-2019），证明其作为低重金属缓释肥的环境安全性与应用潜力。本研究首次以稀土尾矿为原料，通过高温煅烧 - 水热法成功合成铝掺杂导电沸石，其中Al0.3导电沸石因优化的晶体结构、电化学性能和孔结构，成为 FCDI 最优电极材料；优化后的 FCDI 系统在 1.2 V、19.2 mL/min、pH 4 条件下，对模拟矿废水NH4+去除率 97.22%、吸附容量 195.45 mg/g，性能显著优于活性炭、聚苯胺基介孔碳等传统电极。
本研究的核心意义在于突破了传统 FCDI 电极材料性能瓶颈与稀土尾矿资源化的技术壁垒，首次实现了稀土矿业固废 - 废水的协同治理与高值化利用，为解决矿业环境问题提供了全新的闭环思路，兼具环境、经济和农业价值。
Rare earth-derived conductive zeolite electrodes empower NH4+ recovery from mining wastewater via FCDI and their application as ammonia release fertilizer. AWater Research. 2026
DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2026.125581
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