将废弃的贻贝壳和用过的咖啡渣转化为富含钙的生物炭，以实现可持续的磷酸盐回收并用于土壤改良

《Environmental Technology & Innovation》：Valorization of waste mussel shells and spent coffee grounds into calcium-rich biochar for sustainable phosphate recovery for soil amendment

生物炭复合材料MSBC1:1通过800℃煅烧贻贝壳与咖啡渣制备，表现出优异的磷酸盐吸附性能（最大吸附容量375.6 mg/g），符合Langmuir等温模型和伪二级动力学特征，主要机制为静电吸引、表面络合及羟基磷灰石沉淀。该材料在pH 2-12和离子强度0-0.1 M范围内稳定性良好，对真实水体（湖泊、河流、污水）的除磷效率达76.5%-97.25%。作为缓释肥料，MSBC1:1显著提升萝卜发芽率（10.2%）和植株高度（9.7%），同时改善土壤pH及盐分。研究验证了钙源与碳源协同增效的可行性，为环境修复与农业应用提供新方案。

　　本研究探讨了一种利用废弃牡蛎壳和咖啡渣通过高温热解制备的富含氧化钙（CaO）的生物炭复合材料，其在磷（P）吸附方面的性能及在环境修复和农业应用中的潜力。研究指出，这种复合材料具有优异的吸附能力，其最大磷吸附容量达到375.6毫克/克，并且在广泛的pH范围（2-12）和离子强度（0-0.1摩尔/升）下表现出较强的稳定性。这一特性表明，该材料在实际的水处理应用中具有重要价值。此外，实验还发现，这种磷负载的生物炭能显著促进萝卜（*Raphanus sativus L.*）的发芽率和生长指标，如株高、湿重和干重的提升，这进一步验证了其在农业土壤改良方面的应用前景。

研究首先介绍了水污染问题的严重性，特别是磷污染对生态环境的威胁。随着农业和工业活动的增加，磷的排放已成为全球性问题，而磷的过量排放会导致水体富营养化，影响水生生物的生存。因此，开发高效、经济的磷去除方法成为当前研究的热点。传统吸附材料如活性炭、沸石和树脂虽然具有一定的磷吸附能力，但存在机械强度不足、易失活以及可能造成二次污染等问题。相比之下，生物炭因其高比表面积、多孔结构以及可调控的表面化学性质，成为一种有前景的吸附材料。然而，原始生物炭对阴离子的吸附能力有限，特别是对于磷酸盐（PO?3?）的吸附能力较低，这主要是由于其表面功能基团的限制。因此，研究者们尝试通过金属氧化物（如CaO、MgO等）对生物炭进行改性，以提高其对磷的吸附能力。

在本研究中，利用牡蛎壳作为钙源，咖啡渣作为碳源，通过热解制备了多种CaO-生物炭复合材料。其中，以1:1质量比制备的MSBC1:1复合材料表现出最佳的磷吸附性能。该材料的比表面积为37.8平方米/克，平均孔径为37.7纳米，显示出明显的介孔结构。这些物理化学特性为磷的吸附提供了丰富的表面位点和孔隙结构，从而提高了吸附效率。研究还指出，该材料的吸附过程符合Langmuir等温线模型和伪二级动力学模型，表明其主要吸附机制是单层化学吸附。吸附过程主要通过静电吸引、表面络合以及羟基磷灰石（Ca?(PO?)?(OH)）的沉淀实现。

为了评估MSBC1:1的吸附性能，研究者们进行了多种实验，包括吸附动力学、等温线、pH影响、离子强度和共存离子的竞争吸附等。结果表明，MSBC1:1在pH 7时吸附能力最强，而在碱性条件下（pH > 7）吸附能力下降，这可能与表面电荷变化有关。此外，实验还发现，MSBC1:1对磷的吸附能力不受离子强度的影响，说明其具有较强的离子选择性，能够在复杂的水体环境中有效去除磷。同时，该材料对其他阴离子（如氟、氯、硝酸盐和硫酸盐）的吸附能力较低，进一步证明了其对磷的高选择性。

在实际水体应用方面，MSBC1:1在湖泊、河流和污水中的磷去除效率分别达到76.5%、90.3%和97.3%。这些数据表明，该材料在实际水处理中具有较强的适用性。此外，实验还表明，磷负载的MSBC1:1能够作为缓释肥料，有效提升萝卜的生长指标。例如，0.5%的磷负载生物炭处理下，萝卜的发芽率达到97.5%，株高达到9.58厘米，湿重和干重分别提高了28.5%和63.1%。这说明该材料不仅能有效去除水中的磷，还能作为磷源用于土壤改良，促进植物生长。

研究还对MSBC1:1的物理化学特性进行了深入分析，包括其表面功能基团、晶体结构和元素组成。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）以及X射线光电子能谱（XPS）等手段，研究者们确认了该材料的表面化学变化，如羟基和磷酸盐的相互作用，以及Ca-O-P键的形成。这些结果进一步支持了MSBC1:1作为磷吸附材料的有效性。

在经济性方面，研究者们评估了该材料的制备成本，指出在实验室规模下，MSBC1:1的单位生产成本较高，但在大规模生产时，随着处理量的增加，单位成本会显著降低。例如，当处理10千克原料时，单位成本可降至约0.18-0.23美元/千克。这一发现表明，MSBC1:1在实际应用中具有良好的经济潜力，尤其是在大规模处理环境中。

综上所述，本研究通过创新性地利用牡蛎壳和咖啡渣制备的CaO-生物炭复合材料，不仅在磷吸附方面表现出色，还在农业应用中展现出良好的潜力。该材料的高吸附容量、强离子选择性和良好的环境适应性，使其成为一种高效的磷去除材料。此外，其在土壤改良和植物生长促进方面的应用，进一步拓宽了其在环境修复和农业领域的应用前景。未来的研究可以进一步探索该材料的再生和重复使用能力，以及其在长期应用中的磷释放规律，以更好地指导其在实际中的应用。