氟是人体与植物中不可或缺的微量元素，但若摄入过多会引发一系列疾病，如氟斑牙和氟骨症等。据估计，世界上至少有25个国家的数亿人口受到饮用水氟超标的威胁。因此，探究适宜的饮用水脱氟技术已成为国内外环保领域的研究热点之一。现阶段，在常用的脱氟方法（如吸附法、离子交换法、混凝法等）中，吸附法因具备操作简单、成本低、效率高等优势成为一种有前景的脱氟方法。目前已有多种材料（如铁（羟基）氧化物、活性炭）被作为吸附剂应用于氟离子的吸附研究。
近年来，基于两种或两种以上金属（羟基）氧化物的复合吸附剂得到学者的广泛关注，其不仅能结合单一金属（羟基）氧化物的优点，还往往表现出明显的协同效应，具备了优异的脱氟性能。在众多的（羟基）氧化物复合吸附剂中，铝基材料因低成本、极强的氟离子亲和力等特点，成为最常见的除氟材料之一。然而，铝（羟基）氧化物在较低或较高溶液pH下易溶解，致使其吸附效率和稳定性显著下降。为了克服铝离子的溶出，已有文献提出通过混合化学稳定的元素以提升铝基材料的稳定性能。不过面向工业需求，仍需进一步开发成本更低、可稳定高效脱氟的铝基双金属吸附剂。
前人研究表明铁离子与氟离子具有较强的亲和力，且铁基材料在较大的pH范围内可稳定脱氟。对此，中国科学院广州地球化学研究所矿物学与成矿学重点实验室的硕士研究生傅浩洋在导师朱润良研究员的指导下以天然磁铁矿为前驱体，通过溶解-再结晶法在铝基材料中原位掺杂铁元素一步研制出易分离、稳定的高性能Al/Fe双金属复合吸附材料。具体的实验流程如图1，实验利用氯化铝水解产生的H+部分刻蚀磁铁矿，并将所得的混合溶液调整pH至中性，老化一定时间后原位合成Al/Fe双金属（羟基）氧化物包裹磁铁矿材料（Mag@Al2Fe）。研究通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、振动样品磁强计（VSM）、N2吸/脱附曲线等方法探究了Mag@Al2Fe的物相、形貌，并分析了材料的吸附性能。表征结果显示Al/Fe双金属（羟基）氧化物均匀的包裹在刻蚀后的磁铁矿表面，且材料具备高饱和磁化强度（62 emu/g）、大比表面积（90.0 m2/g）及由微孔、介孔组成的多级孔结构。批量吸附实验表明Mag@Al2Fe的饱和吸附容量为26.5 mg/g，明显高于磁铁矿的1.44 mg/g（图1）。此外，吸附剂具备快速吸附的特点，材料仅需120 min即可达到吸附平衡。在酸性和碱性溶液中低溶解度的铁元素掺杂可有效抑制材料中铝离子溶解，使Mag@Al2Fe在pH 4~9范围内均表现出良好吸附性能。X射线光电子能谱分析（XPS）和pH边实验结果表明，Mag@Al2Fe对氟离子的吸附主要通过静电作用和材料表面的羟基与溶液中的氟离子发生配体交换进而形成Al-F和Fe-F键实现，具体的吸附机理见图1。综上所述，本工作提供了一种合成简单、成本低廉、效率高、可分离的磁性复合吸附剂。Mag@Al2Fe可作为一种有前景的双金属复合吸附剂，有望在饮用水脱氟方面得到广泛应用。
该研究得到国家自然基金（No. 41872044）和牛顿高级学者基金（NA150190）支持，研究成果论文已发表在期刊Environmental Technology上。
论文信息:Haoyang Fu, Hongfei He, Muhammad Usman, Qingze Chen*, Runliang Zhu, Mingwang Laipan, Yixuan Yang, Limei Cai*. 2019. Facile synthesis of Al/Fe bimetallic (oxyhydr)oxide coated magnetite for the efficient adsorption of fluoride [J]. Environmental Technology, online.
链接：
https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/09593330.2019.1575919?journalCode=tent20
图1 Mag@Al2Fe制备流程、吸附性能和吸附机理图