通过Fe-生物炭+FeCl3处理获得的原位铁-磷酸盐复合物作为支架，增强粪便中的固体成分以促进磷的释放/保留

《Environmental Science: Advances》：Augmenting manure solids as scaffolding for phosphorus release/retention via in situ iron-phosphate complexes procured with Fe-biochar + FeCl3 treatment

磷的固相分离与提取机制研究：基于FeCl3和铁改性生物炭的猪粪处理

　　这项研究探讨了通过使用聚合氯化铁（FeCl?）和未改性及铁改性的玉米秸秆生物炭进行猪粪固液分离的方法，并评估了从分离出的固体中回收磷（P）的效率。通过引入不同的提取剂，如Mehlich-III、Olsen和柠檬酸-碳酸-二硫腙（CBD），研究团队深入分析了磷在不同条件下的释放行为及其在土壤环境中的稳定性。研究结果表明，通过FeCl?与铁改性生物炭的协同作用，能够将93%的磷从猪粪中分离至固体部分，并且在该条件下，磷的回收效率达到了100%。这一过程通过形成稳定的铁磷酸盐（P?）络合物，利用内球络合和阳离子桥接机制，显著提高了磷的固相保留能力。通过测定吉布斯自由能变化（ΔG?），研究发现该过程具有自发性和可行性，其值为-23.3 kJ/mol，表明在标准状态下该反应更倾向于生成固体形式的磷，从而减少其在液体中的可溶性。

为了更全面地评估磷的稳定性，研究还采用了电导度分析、pH测量以及Mehlich-III溶液在分散介质（0.15 M NaCl）中的反应。这些分析方法帮助研究者理解了不同条件对磷释放的影响。例如，当添加NaCl时，其对阳离子（如Ca2?、Mg2?和Fe3?）的释放模式起到了关键作用，从而影响了溶液的电导度和离子强度（IS）。此外，研究还通过拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析了不同处理方式下猪粪固体的结构变化，进一步揭示了磷在不同化学环境中的行为特征。

研究中还观察到，铁改性生物炭在提高磷稳定性方面表现尤为突出。与未改性生物炭相比，铁改性生物炭能够更有效地与磷形成稳定的络合物，从而减少其在土壤中的可溶性。例如，对于铁改性生物炭处理的猪粪固体（MSIB），其磷的回收效率远高于其他处理方式。同时，实验还发现，当使用CBD提取剂时，能够成功地从阳离子桥接的P?和铁结合的P?中提取出大量的磷（7477 mg/kg），这表明CBD在处理铁结合磷方面具有显著优势。这种提取剂通过还原和配位机制，能够有效破坏铁结合的磷结构，从而提高其可溶性。

此外，研究团队还评估了不同提取剂对其他宏量营养元素（如钙、镁、钾和铁）释放的影响。结果表明，CBD在释放铁和磷方面表现最为显著，而Mehlich-III和Olsen提取剂在释放钾和钙方面具有一定的效果。然而，Olsen提取剂在释放铁结合磷方面效果有限，因为其对铁氧化物的溶解能力较弱。相比之下，CBD能够通过还原铁离子并形成可溶性的铁-磷酸盐络合物，从而显著提高磷的提取效率。

研究结果不仅揭示了不同处理方式对磷释放的影响，还为可持续农业和废物管理提供了新的思路。通过将磷固定在固体中，可以有效减少其对水体的污染，同时提高其在农业中的再利用潜力。这种技术在循环经济和可持续农业中具有重要应用价值，特别是在需要减少氮磷排放、提高土壤肥力以及优化养分管理的农业系统中。

进一步的研究还指出，铁改性生物炭在改善磷的稳定性和提高其在土壤中的保留能力方面具有重要作用。这可能与铁改性生物炭的高比表面积、丰富的活性位点以及较强的阳离子交换能力有关。此外，铁改性生物炭能够促进磷与铁的内球络合，从而降低其在水中的可溶性，减少营养元素的流失风险。

本研究的发现还表明，传统的提取方法（如Mehlich-III和Olsen）在提取铁结合磷方面存在局限性，而CBD作为强还原性提取剂，能够通过改变氧化还原条件，有效释放铁结合磷。这一过程不仅提高了磷的可提取性，还为磷的回收和再利用提供了新的技术路径。研究团队通过FTIR光谱分析进一步确认了这一现象，发现CBD处理后，部分原本被铁桥接或结合的磷结构被破坏，从而释放出更多的磷。

从环境角度来看，该研究强调了铁结合磷在农业系统中的重要性。铁结合磷通常不易被植物吸收，但在特定条件下（如使用CBD提取剂）可以通过化学反应被释放出来。这不仅有助于提高磷的可用性，还可能影响土壤的长期肥力和生态系统的养分循环。因此，理解磷与铁之间的相互作用及其在不同环境条件下的动态变化，对于优化磷的管理和回收具有重要意义。

此外，研究还涉及了溶液pH、离子强度和ζ电位对磷释放和稳定性的影响。例如，当溶液pH降低时，铁改性生物炭处理的猪粪固体（MSIB）表现出更低的ζ电位，表明其表面电荷变化可能影响磷的释放行为。通过调节这些参数，可以进一步优化磷的分离和回收效率。

综上所述，本研究不仅展示了FeCl?与铁改性生物炭在固液分离中的高效性，还揭示了不同提取剂在磷释放中的作用机制。这些发现为农业废弃物的资源化利用提供了科学依据，并为减少环境污染、提高养分管理效率提供了可行的解决方案。未来的研究可以进一步探讨这些固液分离材料在土壤中的实际应用效果，以评估其在自然环境中的适用性和可持续性。