双金属氧化物纳米复合水热炭用于水体磷酸盐高效捕获与回收：从污泥资源化到环境修复

为解决水体富营养化及磷资源回收难题，研究人员开发了Fe@Mg双金属修饰的污泥基水热炭（AHCX），通过原位水热法在210/240°C下制备。该材料展现出139.5 mg/g的磷酸盐吸附容量，经4次循环仍保持78%效率，并通过DFT计算揭示了表面络合主导的吸附机制，为污水污泥资源化与磷污染控制提供了可持续解决方案。

　　

水体富营养化已成为全球性环境挑战，而磷作为关键限制性营养素，其过量排放是引发藻类爆发的元凶。更严峻的是，磷矿作为不可再生资源预计将在100-400年内枯竭。传统磷去除技术如化学沉淀法易产生污泥，生物处理效率受限，而吸附法虽操作简便却受限于材料性能。如何开发兼具高效吸附、可再生性且成本低廉的磷捕获材料，成为环境工程领域的"圣杯"。

以色列南部内盖夫地区的研究团队创新性地将目光投向污水污泥——这一传统废弃物富含碳源和矿物质。他们通过一步水热法，在210°C和240°C下将磁性Fe₃O₄与MgO纳米颗粒同步嵌入污泥衍生的水热炭（HC_X），构建出双金属活化水热炭（AHC_X）。令人振奋的是，该材料在《Separation and Purification Technology》发表的研究中展现出突破性性能：AHC₂₁₀的磷酸盐吸附容量高达139.5 mg/g，远超多数报道的单一金属吸附剂，且在处理实际厌氧膜生物反应器（AnMBR）出水时仍保持优异选择性。

研究团队采用多尺度表征与理论计算相结合的策略：通过BET测定比表面积（AHC₂₁₀达72 m²/g），SEM-EDS确认金属均匀分布，XPS解析表面化学键变化；结合动力学模型（Elovich模型R²=0.98）和DFT计算（Fe-OH修饰炭吸附能达-88.67 kJ/mol），系统阐明吸附机制。

3.1 材料特性
TEM显示AHC₂₁₀呈现独特的"蛛网状"结构，SAED衍射证实Fe₃O₄(311)和MgO(200)晶面共存。XPS分析揭示Mg-OH与Mg-O双活性位点协同作用，而Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原对增强电子转移能力。

3.2 吸附动力学
磷酸盐吸附在30分钟内完成60%，Elovich模型表明化学吸附主导过程。AHC₂₁₀初始吸附速率是AHC₂₄₀的2.2倍，印证更高温度制备反而降低活性位点暴露。

3.3 pH与选择性
在pH 5.3时达到最佳吸附（68.76 mg/g），PZC（零电荷点）为6.2。即使存在HCO₃^-等干扰离子，仍保持78%吸附效率，展现强抗干扰能力。

3.6 机制解析
FTIR在1040 cm^-1出现新峰对应P-O键，XRD检出Mg₃(PO₄)₂沉淀相。DFT计算显示Fe-OH修饰使吸附能降低8倍，证实金属-磷酸盐配位键形成是性能提升关键。

这项研究开创了"以废治废"的新范式：将污水污泥转化为高性能吸附剂，同步解决磷污染控制与资源回收两大难题。磁性设计实现材料便捷回收，而双金属协同效应突破单组分材料pH适用范围窄的瓶颈。尤为重要的是，研究通过分子层面机制解析，为设计下一代环境功能材料提供了理论蓝图。该技术若规模化应用，每年可减少数百万吨污泥填埋量，同时回收的磷可直接用于农业循环，真正实现"从污水到农田"的可持续物质流动。