电动汽车的快速发展加速了全球从废弃LiFePO中回收的锂₄电池，产生大量FePO₄残留物（FeP），经济价值低且利用潜力有限。考虑到这种独特固体废物的不溶性和化学惰性，我们通过低分子量有机酸（草酸/柠檬酸）活化将其转化为游离的PO₄^3--富含材料（O-FeP和C-FeP）用于重金属固定。批量吸附实验结合Visual MINTEQ建模、光谱表征（XRD、FT-IR）和透射电子显微镜（TEM）展示了不同的Pb/Cd稳定机制。对于Pb，O-FeP表现出优于FeP（153.0 mg/g）的Pb吸附能力（823.9 mg/g），而C-FeP则未表现出活化带来的增强效果（143.1 mg/g）。在这两个系统中，Pb的去除主要通过PO完成₄^3-- 介导降水与Pb的形成₃（PO₄)₂草酸盐通过PbC进一步增强了吸附能力₂O₄共沉淀，而柠檬酸盐则因可溶性Pb-柠檬酸复合而产生负面影响。在FeP系统中，Pb的吸附主要通过Pb的伪晶转变实现₅（PO₄)₃哦，是因为不可溶解性差异。对于去除镉，草酸显著增强了吸附能力，而柠檬酸仅带来有限的改善（O-FeP：26.4 mg/g > C-FeP：7.1 mg/g > FeP：3.8 mg/g）。这一提升主要归功于CdC的成立₂O₄而Cd-柠檬酸复合物仅略微改善C-FeP中的镉的吸收，磷酸盐介导的沉淀作用微乎其微。本研究为解决电池回收中最终阶段残留提供了新颖思路，并有望扩展到其他重金属。

图形摘要

支持性政策促进了清洁低碳电动汽车的普及，使其成为实现交通行业碳中和的重要途径。根据国际能源署发布的《全球电动汽车展望2024》，截至2023年，全球新能源汽车库存为4000万辆，预计到2030年将达到2亿辆，约为当前水平的5倍（IEA，2024年）。与此同时，电动汽车的快速发展促使全球电力电池数量不断增加，其中包括锂离子电池（LIB），因其高能效、长周期寿命、良好安全性等需求显著增加（马等，2025;王等，2023a;王等，2025a）。然而，由于服役寿命有限（8–10年）（Harper等，2019;Zhang 等，2023），LIBs的退役已经到来，根据LiFePO的预测，到2030年全球范围内LIBs的废料量将接近1100万吨。₄（LFP）电池占了主要比例（赵等，2024;周等，2022）。用过的LFP电池的不当处置会通过有毒物质的浸出带来环境风险，并导致锂和磷等宝贵资源的重大浪费（Saju 等，2023）。乏铁矿电池的不断增加引发了重大的环境和公共健康问题，凸显了可持续回收和资源利用策略的必要性（Hu 等，2026;Wang 等，2025b）。
工业层面乏LFP电池最常用的回收策略是“选择性锂提取”，即将Li浸出到溶液中，并以碳酸锂的形式回收，而FePO的结构⁺₄（简称FeP）被保留（Yang等，2022）。尽管该方法经济上有利且已被广泛应用，但不可避免地会产生大量富含FeP的固体残基作为次级副产物。在当前工业实践中，锂提取后每吨处理阴极材料大约会产生一吨FeP残留物（干基）。尽管这些残基含有大量铁和磷，但由于面临若干关键挑战，这些残基常常被低估或储存（Wang 等，2023b）。首先，来自废阴极材料和浸出试剂的杂质元素被掺入FeP基体，显著降低其纯度和可重复使用性。其次，Fe和P相较于Li的经济价值较低，限制了进一步复苏的动力。第三，缺乏高效且可扩展的技术将FeP残留转化为增值产品。因此，大规模积累的 FeP 残留不仅浪费了宝贵资源，如果管理不当，还可能带来环境风险（Wang 等，2022）。因此，制定可持续策略以有效利用FeP残留物，对资源回收和环境保护都极为重要。
尽管对锂离子电池组件回收有大量研究，但有限的研究仍聚焦于FePO的利用₄残基（Wang等，2023b;Wang等，2022;Yang等，2022）。具体来说，采用了一系列回收工艺和各种化学试剂来去除FeP残留中的杂质，从而实现电池级FePO₄或其前体被制备（Wang 等，2023b，Wang 等，2022，Yang 等，2022）。然而，回收过程可能产生更多残留物，导致潜在的二次污染。因此，开发环境可持续的处理和增值FeP残留物路径仍是一项重大挑战。这凸显了当前LFP回收系统中的关键空白，即FeP残留物的管理和价值化在很大程度上被忽视。
基于先前研究证明了磷酸盐基材料在重金属固定方面的有效性，本研究探讨了FePO是否₄残留物——富含磷酸盐的废料——也可以被类似地利用。涵盖了多种磷酸盐矿物，如羟基磷灰石（Ca₅（PO₄)₃OH，HAP）和磷酸盐岩石被认为是有前景的从各种受污染水体或土壤中捕捉重金属（如铅、镉、铜、钴、铬、镍和锌）的媒介（Cao 等，2004;上石和宇都宫，2013;Zhou 等，2020）。主要稳定机制归因于磷酸基质的溶解以及高度不溶且非生物利用度的重金属磷酸盐沉淀物的形成，包括铅₅（PO₄)₃哦，CD₃（PO₄)₂，以及 Cu₅（PO₄)₃OH（Guan 等，2018;Juhasz 等，2014;Zhai 等，2018;Zhao 等，2017;Zhu 等，2016）。上石和宇都宫（2013）报道了羟基磷灰石与水溶液Pb界面处的反应过程，并得出了两种机制：（1）羟基磷灰矿（Pb）的外延生长₅（PO₄)₃哦，HPY）在HAP的尖端;（2）HAP的解体和界面上HPY的直接替换（伪同胚）（上石和宇都宫，2013）。此外，相关机制如阳离子交换（也称为掺入或晶格替换）以及表面复合/吸附等机制也被报道（Cao等，2004;Guan等，2018）。除了铅之外，磷酸盐矿物对其他重金属固定作用也报告了类似但不同的机制。简而言之，主要机制包括：溶解/沉淀、离子交换过程、表面吸附以及磷酸盐材料中再结晶过程中阳离子的替代（Cao 等，2004;Guan 等，2018;Matusik 等，2008）。因此，FeP残基是另一种具有FePO主结构的磷酸盐材料₄也可用作稳定材料，以固定重金属。
尽管磷酸盐矿物在重金属固结方面表现出优异性能，但与可溶性磷酸盐材料相比，其溶解磷含量较低限制了其能力（Elouear等，2008;Fu等，2023;Li等，2021）。为解决这一缺陷，使用低分子量有机酸（LMWOAs）激活磷酸矿物并释放可用的PO₄^3-见于之前的研究（赵等，2017）。一些传统LMWOAs，如草酸和柠檬酸，已被证明能够增加磷释放，促进Pb、Cd、Cu和Zn在不同磷酸盐材料（如HAP、磷酸盐岩石）上的固定（Wang 等，2016;Zhao等，2017）。此外，LMWOAs是自然界中丰富的环保有机酸，通过植物和动物废物的分解、微生物代谢以及根系活性形成（Rezwan等，2024）。因此，本研究提出了一种利用LMWOAs进行FeP活化的创新方法，这可能是增强其重金属吸附能力的有前景途径。如果原始/活化的FeP残留物能够成功用作重金属的封存剂，这将是固体废物利用和污染去除的双赢策略。
本研究旨在探索一种环保的方法，利用废弃物FeP残留物作为吸附剂，使其固定在废水中的重金属。优先污染物Pb/Cd被选为目标重金属。为实现这一目标，我们（1）使用两种代表性的LMWOA（柠檬酸和草酸）激活原始FeP残基，（2）利用多种表征技术表征制备材料的性质，（3）实验证明了原始活化FeP残基的Pb/Cd去除能力，（4）提出并验证了Pb/Cd固定的独特机制。