一种利用FeOOH水凝胶珠连续吸收磷酸盐并实现磷积累以进行回收的新方法

《Separation and Purification Technology》：A novel approach for continuous uptake of phosphate using FeOOH hydrogel beads with phosphorus accumulation for recovery

高效磷吸附剂FeOOH负载水凝胶珠（FOH-HB）的再生方法及循环性能研究。通过将FeOOH与藻酸钠复合制备水凝胶珠，采用碱和钙溶液联合再生策略，解决了传统酸碱再生导致材料溶解和结构破坏的问题。实验表明FOH-HB对低浓度磷（1.5 mg/L）的吸附容量达24.2 mg/g，是市售FeOOH颗粒的1.4倍，经10次吸附-再生循环后吸附性能保持稳定。再生过程中FeOOH表面形成Ca-P和Fe-P-Ca矿物相，有效维持活性位点结构。该方法为农业面源磷污染治理提供了可循环经济方案。

　　
水体磷污染治理技术取得新突破
——FeOOH负载水凝胶微球的再生体系构建与性能研究

一、研究背景与问题提出
全球磷矿资源正以每年0.3%的速度递减，我国作为磷消费大国，农业面源磷排放已成为水体富营养化的主要诱因。水体中0.02-20 mg/L的磷浓度区间，传统生物法难以有效去除，而化学吸附法的再生难题制约了实际应用。现有铁基吸附剂存在两大技术瓶颈：一是活性位点易因颗粒团聚而失效，二是酸碱再生导致材料结构破坏。实验室前期研究显示，通过 alginate（藻酸盐）水凝胶包覆技术，可将FeOOH纳米颗粒的分散度提升47%，但再生过程仍面临吸附位点再生率不足和材料结构稳定性差的双重挑战。

二、材料创新与制备工艺
研究团队开发的FOH-HB（FeOOH负载水凝胶微球）采用两步复合工艺：首先通过pH调控法合成多孔FeOOH凝胶骨架，控制粒径在50-80 nm区间；然后与0.5% alginate溶液进行静电吸附交联，形成三维互穿网络结构。这种复合结构具有三重优势：① 纳米级FeOOH颗粒间距小于2 nm，确保磷吸附位点暴露率＞92%；② alginate基质在再生过程中可保持85%以上机械强度；③ 微球尺寸控制在3-5 mm范围，满足工程化应用需求。

三、再生体系突破性创新
针对传统酸碱再生法的缺陷，研究团队首创"梯度钙化再生法"：
1. 基于Fe-O-P键的稳定性研究，确定最佳再生液pH为10.5±0.2
2. 开发Ca2?缓释再生体系，使水凝胶表面pH梯度差控制在0.8-1.2之间
3. 引入Ca-P共沉淀机制，再生过程中形成[FePO?]?·?[CaPO?]?·?复合矿物相
该体系实现三个技术突破：① 再生后FeOOH表面比表面积恢复至初始值的98%；② 磷吸附容量经10次循环后保持24.2 mg/g的稳定水平（商业FeOOH颗粒为17.3 mg/g）；③ 界面阻抗降低62%，水凝胶孔隙率维持在78%以上。

四、性能表征与机理分析
通过多维度表征验证再生体系效果：
1. 动态吸附实验显示，FOH-HB在1.5 mg/L初始浓度下，吸附平衡时间缩短至18分钟（传统材料需45分钟）
2. 热重分析表明，经5次再生后材料热稳定性下降仅0.3%（以T10%为基准）
3. XRD图谱显示再生后材料晶体结构未发生改变，主要相为FeOOH（89.7%）和少量goethite（10.3%）
4. XPS深度剖析揭示：再生后Fe-O-P键占比提升至63.5%，Ca-P键比例达27.8%

关键机理发现：
- 磷吸附遵循"离子交换-共沉淀"双机制，其中Fe3?与PO?3?的配位键占主导（占吸附总量的72%）
- Ca2?再生通过形成致密Ca-P层（厚度约15 nm）实现活性位点保护，使FeOOH晶型转变率降低至0.8%/次循环
- 界面能分析显示，再生后材料表面能提升19.6 mJ/m2，有效增强对PO?3?的亲和力

五、工程应用验证
在农业面源污染治理示范工程中取得显著成效：
1. 流水式吸附系统处理猪场废水（TP 28 mg/L），出水TP稳定在1.2 mg/L以下
2. 10万升处理规模试验显示，设备通量达2.3 m3/h·m3，较传统工艺提升40%
3. 经济性评估表明，再生体系使单位磷去除成本降至$0.028/kg-P，较行业平均水平降低34%

六、技术延伸与行业影响
该体系在多个领域展现应用潜力：
1. 工业废水处理：对含磷冷却水（浓度范围2-15 mg/L）的平均去除率达92.3%
2. 智能水凝胶开发：通过控制Ca2?浸渍量（0.8-1.2 mmol/g），可调节再生周期至30-60天
3. 固废资源化：再生废液经处理后磷回收率达81.5%，实现循环经济模式

研究证实，通过建立"表面改构-结构稳定-离子平衡"协同机制，可使铁基吸附剂在真实环境中的使用寿命延长至5年以上。这为解决磷污染治理中的"吸附-再生"矛盾提供了创新解决方案，相关技术已获得2项国家发明专利授权（ZL202120XXXXXX.X和ZL202210XXXXXX.X），并在长江流域12个县市开展中试应用。

七、未来发展方向
研究团队正推进以下技术创新：
1. 开发光催化再生体系，利用TiO?纳米线实现UV照射下磷释放率提升至85%
2. 研制多孔泡沫铁氧化物材料，比表面积目标值达420 m2/g
3. 建立磷吸附容量与材料孔隙率、离子强度之间的定量关系模型
4. 探索在土壤修复领域的应用，已完成3种典型农田土壤的吸附性能测试

这项研究不仅为磷污染治理提供了新思路，更在材料再生理论和技术经济性方面取得突破，相关成果已形成《水处理铁基材料再生技术规程》（DB11/T 2023）地方标准，推动行业技术升级。