基于改性柑橘皮生物炭的氮磷协同吸附及土壤镉固定化机制研究

本研究针对废水氮磷资源回收与土壤重金属污染治理的双重需求，创新性地采用脐橙皮生物炭负载镁铝钙（氢）氧化物（COP@MA/C-OP@MC），实现了NH4+/NO3?与PO43?的高效协同吸附（最高达280 mg/g P），并通过绿豆栽培实验证实其可降低土壤酸溶性镉（Cd）迁移性，为农业废弃物高值化利用与污染治理提供新范式。

　　

随着全球人口增长与农业集约化发展，氮（N）、磷（P）肥料的过度使用导致水体富营养化危机加剧，而土壤重金属污染同步威胁粮食安全。传统治理手段往往割裂了资源回收与污染治理的关联，如何通过绿色材料实现"以废治废"成为环境科学领域的重要命题。江西省作为中国脐橙主产区，每年产生约180万吨废弃果皮，其高值化利用需求迫切。针对这一挑战，江西理工大学（Jiangxi University of Science and Technology）的罗武辉团队在《Journal of Environmental Management》发表研究，创新性地将农业废弃物转化为环境功能材料，为氮磷资源循环与镉污染土壤修复提供了双赢解决方案。

研究采用批式吸附实验（batch adsorption）、浸出测试（leaching test）和绿豆栽培体系（mung bean cultivation），结合X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等表征技术，系统评估了12种改性生物炭的性能。实验原料选用赣州脐橙皮（OP）及热解生物炭（COP），通过与白云石溶解液（含Mg²⁺/Ca²⁺）和Al³⁺复合，构建了金属（氢）氧化物杂化体系。

关键研究发现

1. 材料筛选与吸附机制
   通过对比不同金属组合（Mg-Al-Ca）及热解顺序制备的复合材料，发现MgAl层状双氢氧化物（LDH）包覆的COP（COP@MA）在NO₃^?-H₂PO₄^?二元体系中表现最优，而热解MgCa负载OP（C-OP@MC）对NH₄⁺-H₂PO₄^?吸附量突破性达110 mg/g N和280 mg/g P。研究揭示高浓度NH₄⁺-PO₄^3?条件下鸟粪石（struvite）沉淀主导吸附过程，而PO₄^3?的内层络合（inner sphere complex）使其吸附稳定性显著高于受共存离子干扰的NH₄⁺/NO₃^?。

2. 土壤镉固定化效应
   将富集NP的COP@MA与C-OP@MC添加至污染土壤后，酸溶性Cd向残渣态转化率提升，浸出液Cd浓度降低50%以上。绿豆生物量增加30%而Cd积累量减少60%，证实材料既能缓释NP营养，又通过金属（氢）氧化物表面配位与磷酸盐共沉淀双重机制固定Cd。

研究启示
该工作首次将脐橙皮生物炭的改性策略与氮磷-重金属协同控制需求相结合，提出"废水净化-土壤改良"的闭环解决方案。金属（氢）氧化物杂化不仅克服了原始生物炭对阴离子（NO₃^?/H₂PO₄^?）的静电排斥缺陷，还赋予材料pH缓冲与多重活性位点特性。研究为农业废弃物定向转化为环境功能材料提供了理论依据，尤其对南方酸性重金属污染土壤修复具有重要实践价值。未来研究可进一步优化金属配比与热解工艺，推动该技术在流域面源污染治理与矿山生态修复中的规模化应用。