非烧结陶粒吸附模拟尿液中磷的性能与机制研究及其农业应用价值

针对磷资源不可再生与水体富营养化问题，中国研究人员以粉煤灰(FA)、水泥(OPC)和膨胀珍珠岩(EP)为原料，开发了非烧结多孔陶粒(NC)，实现了模拟尿液中磷的高效回收（吸附量2.25 mg/g，去除率89.4%）。该研究通过XRD、SEM等技术揭示了物理-化学协同吸附机制，并证实其作为磷肥促进小麦生长的潜力，为工业固废资源化与可持续农业提供了新思路。

　　

磷是生命活动不可或缺的元素，但全球磷矿资源正面临枯竭。人类尿液中富含磷酸盐（300-1070 mg/L），若直接排放会引发水体富营养化，而回收利用则可满足11%的农业磷需求。当前磷回收技术如鸟粪石结晶(MAP)存在操作复杂、成本高等问题，吸附法虽优势显著，但传统吸附剂存在回收困难、二次污染等缺陷。粉煤灰(FA)等工业固废虽能吸附磷，但效率有限。烧结陶粒能耗高（>1000℃），而非烧结陶粒(NC)因低能耗、可调控孔隙结构成为研究热点，但其磷吸附机制尚未明晰。

中国研究人员通过混合FA、OPC和不同粒径膨胀珍珠岩(EP)，制备了非烧结多孔陶粒。采用压汞法(MIP)、X射线衍射(XRD)等技术表征材料特性，通过吸附动力学实验探究环境因素影响，并结合扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)等解析吸附机制。最后通过小麦水培实验评估陶粒的农用价值。

物理性能分析
添加1-3 mm EP的陶粒孔隙率最高（35.0940%），平均孔径达62.08 nm，但抗压强度最低（1.6 MPa）。小粒径EP（0.074 mm）则使强度提升至4.0 MPa，证实EP粒径可调控陶粒力学与吸附性能的平衡。

吸附性能
1-3 mm EP陶粒在模拟尿液中展现最佳吸附量（2.25 mg/g）和去除率（89.4%）。伪一级动力学和Langmuir模型分别拟合吸附过程，表明以单分子层物理吸附为主，辅以化学沉淀（Ca₃(PO₄)₂生成）和配体交换（PO₄^3-与表面-OH基团结合）。

微观机制
XPS显示吸附后Ca 2p和P 2p结合能位移，FT-IR证实磷酸盐特征峰出现，SEM观察到陶粒表面磷沉积，共同验证了化学吸附的协同作用。

应用验证
磷负载陶粒作为肥料使小麦发芽率提升15%，幼苗生物量增加20%，且重金属浸出浓度低于国家标准，兼具环境安全性与农业价值。

该研究首次系统阐明了非烧结陶粒的磷吸附协同机制，为工业固废高值化利用提供了技术支撑，同时开创了“废水处理-磷回收-农业应用”的闭环模式，对缓解磷危机具有重要意义。论文发表于《Process Safety and Environmental Protection》，通讯作者为张玲玲（国家重点研发计划资助号2024YFD1600201）。