锆改性黑云母同步吸附正磷酸盐和膦酸盐：反渗透浓缩液处理的新策略

为解决反渗透(RO)浓缩液中磷(P)污染问题，研究人员通过锆(Zr)改性黑云母(Bt)同步吸附正磷酸盐(orthophosphate)和膦酸盐(phosphonate)。结果表明，Zr3Bt对磷酸盐和NTMP的吸附容量分别达21.7 mg-P·g?1和45.1 mg-P·g?1，且在真实RO浓缩液中总磷去除率>98%。该研究为高盐废水磷回收提供了高效环保的解决方案。

　　

随着全球淡水需求激增，反渗透(RO)技术已成为海水淡化和废水回用的核心工艺，贡献了全球70%以上的脱盐产能。然而RO系统面临严峻挑战：为防止膜结垢添加的膦酸盐类阻垢剂(phosphonates)最终富集于浓缩液，其含磷(P)组分若未经处理直接排放，可能引发水体富营养化。更棘手的是，传统吸附材料对膦酸盐的捕获效率有限，且在高盐、多离子共存的RO浓缩液环境中性能骤降。

为破解这一难题，国内研究团队创新性地采用锆(Zr)改性黑云母(biotite)作为吸附剂。黑云母作为层状硅酸盐矿物，具有天然丰度高、环境兼容性好等优势，但其原始表面对磷的亲和力较弱。通过负载Zr氧化物纳米颗粒，研究人员成功构建出兼具高比表面积和丰富活性位点的复合材料Zr3Bt。该成果发表于《Desalination》，为RO浓缩液处理提供了新思路。

研究采用环境扫描电镜(ESEM)、X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)表征材料特性，通过批式吸附实验考察pH、离子强度等参数影响，结合动力学和等温线模型解析吸附机制。实验选用真实RO浓缩液（源自美国尤马脱盐厂）验证实际应用效果。

3.1 吸附剂表征
SEM显示Zr改性未改变黑云母的片层结构，但使其比表面积从2.0激增至77.6 m²·g^?1。XRD证实Zr以非晶态存在，zeta电位测试表明改性后材料表面电荷由负转正，有利于阴离子型磷物种的静电吸引。

3.2 吸附动力学与等温线
磷酸盐在7小时内达吸附平衡，而NTMP需24小时，这与分子尺寸差异相关。Zr3Bt对磷酸盐和NTMP的最大吸附容量分别为21.7和45.1 mg-P·g^?1，较原始黑云母提升40倍以上。Freundlich模型拟合表明Zr3Bt存在多层吸附行为。

3.3 水化学条件影响
在pH 3-9范围内，磷酸盐吸附保持稳定，而NTMP在酸性条件下吸附更优。离子强度(10-1400 mM NaCl)几乎不影响吸附性能，证实磷通过内层表面复合物(inner-sphere complex)固定。共存离子实验中，HCO₃^?因与Zr形成竞争性络合物使吸附量降低15%，而Ca²⁺通过构建≡Zr(OPO₃H)Ca三元复合物提升磷酸盐吸附。

3.4 实际应用验证
在真实RO浓缩液中，Zr3Bt对总磷(含本底和加标磷)的去除率始终>98%，即使当磷酸盐和NTMP浓度分别达6.2和18.6 mg-P·L^?1时仍保持80%去除效率，显著优于文献报道的磁性ZnFeZr-羟基氧化物等材料。

该研究证实Zr改性黑云母可通过配体交换机制同步去除磷酸盐和膦酸盐，其优势体现在三方面：①环境友好，黑云母基质确保材料生态安全性；②抗干扰性强，适应RO浓缩液的高盐环境；③成本效益高，Zr负载量仅3 mmol·g^?1即可实现优异性能。未来研究可探索材料再生工艺及作为缓释磷肥的潜力，进一步推动废水处理与资源回收的协同发展。