镁掺杂磁性纳米生物炭突破回收-吸附平衡：双功能水修复技术的创新突破

本研究针对纳米生物炭在废水处理中存在的磁回收效率与吸附性能难以兼顾的难题，创新性地通过镁(Mg)掺杂球磨磁性纳米生物炭(BFMBC)实现双功能突破。结果表明：Mg掺杂使铵态氮和磷酸盐吸附容量分别提升2.85倍和1.18倍，磁化强度增强4.91倍，并形成关键铁镁氧磁性相(MgFe2O4/(MgO)0.77(FeO)0.23)。该研究为设计兼具高效吸附与可回收性的环境功能材料提供了新范式。

　　

随着工业废水和农业径流中氮磷污染物的大量排放，水体富营养化已成为全球性环境挑战。传统纳米材料虽具有高比表面积和丰富活性位点等优势，但难以回收的特性可能导致二次污染。磁性纳米生物炭通过铁(Fe)改性虽可实现磁回收，却常以牺牲吸附性能为代价——这正是环境纳米技术领域长期存在的"回收-吸附"悖论。

为解决这一关键科学问题，中国研究人员通过创新性的镁(Mg)掺杂策略，开发出新型球磨磁性纳米生物炭(BFMBC)。研究发现，Mg的引入不仅未削弱材料磁性，反而通过形成铁镁氧磁性相(MgFe₂O₄)使磁化强度提升4.91倍。更令人振奋的是，材料对铵态氮和磷酸盐的吸附容量同步提升至2.85倍和1.18倍，成功打破了传统材料性能此消彼长的桎梏。这项发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》的研究，为发展可持续水处理技术提供了重要突破。

研究团队采用球磨法制备纳米复合材料，结合振动样品磁强计(VSM)分析磁性特征，通过X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)解析表面化学性质，并运用批量吸附实验评估污染物去除效能。实验设置包含铁改性纳米生物炭(BFBC)和常规镁掺杂磁性生物炭(FMBC)作为对照组。

【磁性性能】VSM测试显示BFMBC的饱和磁化强度达27.38 emu·g^-1，较BFBC提升4.91倍。磁性增强源于MgFe₂O₄和(MgO)_0.77(FeO)_0.23等铁镁氧磁性相的形成。

【吸附性能】在pH=7条件下，BFMBC对NH₄⁺-N和PO₄^3-的吸附量分别达38.72 mg·g^-1和25.14 mg·g^-1，动力学数据符合准二级模型，表明化学吸附占主导。

【作用机制】Mg掺杂产生三重效应：(1)增加π-π共轭结构和羟基/金属氧化物含量；(2)提升电子转移效率；(3)优化孔道结构。半定量分析显示Fe主导磁回收贡献(45.3%)，Mg主导吸附贡献(53.4%)，二者存在协同效应。

研究结论表明，通过精准调控Mg-Fe配比与晶体结构，BFMBC成功实现了磁回收性能与吸附容量的协同提升。这种"元素掺杂-结构调控-功能强化"的设计思路，不仅为废水营养盐回收提供了新型材料，更建立了多功能环境材料开发的理论框架。该技术的推广应用将显著提高废水处理过程的资源化效率，同时降低纳米材料的环境风险，对推动水环境治理的可持续发展具有重要意义。