电化学活化铝污泥高效吸附铅(Pb(II))和砷(As)的机制解析与机器学习优化研究

本研究针对传统铝污泥(AlS)活化方法存在二次污染、结构破坏及仅限阴离子吸附等缺陷，创新性提出电化学活化策略。通过阴极活化在AlS表面构建羟基(–OH)和羧基(–COOH)功能团，实现Pb(II)络合吸附与As同步去除，4小时内去除率达100%，且铝(Al)溶出量低于1000 mg/L。XPS与机器学习(ML)验证了电活化AlS(E-AlS)较原始AlS提升6.5倍吸附容量，为重金属污染治理提供绿色解决方案。

　　

饮用水处理过程中产生的铝污泥(AlS)既是环境负担又是潜在资源。传统酸/碱活化和煅烧法虽能提升其吸附性能，却伴随铝(Al³⁺)溶出超标、结构坍塌等弊端，且仅适用于砷(As)等阴离子污染物。如何突破这些限制，实现铝污泥对铅(Pb(II))等阳离子污染物的高效吸附，成为环境治理领域的关键难题。

韩国研究人员通过电化学活化技术，将钛(Ti)阳极与不锈钢(SS)阴极构成的反应体系对铝污泥进行改性。阴极还原反应在AlS表面精准引入羟基(–OH)和羧基(–COOH)，这些氧功能团(O-FGs)作为活性位点与Pb(II)发生络合作用。同步辐射X射线光电子能谱(XPS)显示，电活化AlS(E-AlS)表面O_1s谱图中532.3 eV处的峰证实了C=O键形成。机器学习(ML)建模进一步揭示电流强度是影响吸附效率的最关键参数。

表征分析显示电化学活化未改变AlS的微观形貌，但比表面积(BET)从23增至45 m²/g。傅里叶变换红外光谱(FTIR)在3400 cm^-1和1720 cm^-1处出现特征峰，分别对应–OH伸缩振动和–COOH羰基振动。

吸附性能测试表明，E-AlS对Pb(II)的吸附符合准二级动力学模型，最大吸附容量达49.2 mg/g，是原始AlS的6.5倍。与传统活化对比，盐酸(HCl)和氢氧化钾(KOH)活化虽也能完全去除Pb(II)，但导致Al溶出量分别达1350 mg/L和1280 mg/L，而E-AlS仅溶出62 mg/L。

机理研究通过XPS分峰拟合发现，Pb²⁺与–OH形成Pb-O键（结合能138.4 eV），同时As⁵⁺通过配体交换与AlS表面羟基结合。机器学习(ML)中的随机森林算法确定电解时间对As去除率影响权重达0.47。

该研究证实电化学活化能同步优化AlS的吸附性能与环境友好性。阴极还原产生的氧功能团(O-FGs)不仅增强Pb(II)络合能力，还通过表面电荷调控实现阴阳离子共去除。相比传统方法节省能耗37%，且无二次污染风险，为《生物资源技术》期刊倡导的绿色水处理技术提供了范例。未来研究可探索该技术对镉(Cd)、铬(Cr)等多金属体系的适用性。