电解铝、钢铁、电镀、光伏和半导体等行业产生大量含氟废水，对生态环境构成了严重威胁。在此背景下，工业废水深度除氟需求日益迫切。氯化铝（AlCl3）和聚合氯化铝（PACl）等铝盐可通过混凝过程实现对氟离子的高效去除，是目前工业废水处理领域的主流除氟药剂。然而，药剂法除氟效率受水质影响较大，同一药剂在不同来源工业废水中的除氟效率往往迥然不同。甄别工业废水中关键共存基质并揭示其干扰除氟过程的反应机制对于深度除氟工艺的理性设计与高效除氟剂的研制均具有重要意义。其中，乙二胺四乙酸（EDTA）、氮三乙酸（NTA）及柠檬酸（CA）等螯合剂广泛用于工业生产与水处理过程中，且常被用于高硬废水（[Ca2+]>10 mmol/L）阻垢与管道清洗，因而在含氟废水中极为常见，可能会对药剂法除氟效率产生严重影响。然而，目前关于螯合剂影响混凝除氟过程的研究仍较为缺乏。
针对上述挑战，张孝林课题组以EDTA和CA为例，探讨了胺羧类与羧基类两类常见螯合剂对铝盐混凝除氟的影响。通过批次试验、固相核磁共振波谱（NMR）与密度泛函计算（DFT），发现EDTA与CA均会显著抑制AlCl3混凝除氟效果，且EDTA主要通过与铝离子、氟离子形成稳定的三元络合物（EDTA-Al-F）影响除氟，而CA则会通过形成二元络合物（Al-CA）与氟离子竞争铝离子的络合位点。此外，聚铝结构中生成的桥接氟（μ-F）可显著增强PACl对螯合剂的稳定性，甚至在高浓度EDTA（1.5 mmol/L）共存条件下仍保持结构稳定，除氟效率仅下降约28%；而CA则通过形成可溶性Al-CA络合物逐步使聚铝结构解体，使除氟效率下降超90%。
图1.典型螯合剂影响药剂法除氟过程机理示意
该研究为合理设计铝基混凝剂和优化工业废水除氟工艺提供了理论依据，以Effects of chelators on fluoride removal by AlCl3 and Al13 coagulation: performance and mechanism为题，发表在环境领域期刊Environmental Science & Technology上（原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.4c11302）。课题组2021级博士研究生邓子牛为论文的第一作者，张孝林副教授与中科院物质科学研究院张开胜副研究员为共同通讯作者，课题组徐安、潘丙才教授为共同作者。该研究得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。