解码生物炭改性技术：基于金属氢氧化物协同作用的氮磷回收与土壤镉固定化研究

针对水体富营养化与土壤重金属污染问题，研究人员通过金属氢氧化物改性脐橙皮生物炭（COP@MA/C-OP@MC），实现NH4+/NO3?/PO43?高效共吸附（N/P最大吸附量达110/280 mg/g），并证实其作为土壤改良剂可降低Cd生物有效性，为农业废弃物资源化与污染协同治理提供新范式。

　　

随着全球人口增长和农业集约化发展，氮磷肥料的过度使用导致水体富营养化危机日益严峻，而土壤重金属污染同样威胁粮食安全。据统计，1961-2013年间单位耕地氮磷施用量分别激增8倍和3倍，但作物利用率不足40%，大量残余养分通过径流进入水体。与此同时，中国赣州等柑橘主产区每年产生百万吨级果皮废弃物，传统处理方式难以实现高值化利用。如何通过绿色技术同步解决污染治理与资源循环问题，成为环境科学领域的重大挑战。

江西理工大学青年精英科学家罗武辉团队在《Journal of Environmental Management》发表研究，创新性地将脐橙皮（OP）与白云石衍生金属（Mg/Al/Ca）耦合，开发出12种改性生物炭复合材料。通过批式吸附实验发现，MgAl层状双氢氧化物包覆生物炭（COP@MA）在NO₃^?-H₂PO₄^?二元体系中表现最优，而热解镁钙负载果皮（C-OP@MC）在NH₄⁺-H₂PO₄^?系统中因鸟粪石（struvite）沉淀作用实现N/P吸附量突破（110/280 mg/g）。后续土壤实验证实，富集NP的复合材料不仅能提供植物营养，还可将酸溶态Cd转化为稳定形态，使绿豆生物量提升40%且Cd积累量降低62%。

关键技术方法包括：（1）金属氢氧化物改性生物炭制备（XRD/FTIR表征）；（2）批式吸附实验评估NH₄⁺/NO₃^?/PO₄^3?吸附性能；（3）土壤柱淋溶与绿豆栽培实验；（4）BCR连续提取法分析Cd形态转化。

主要研究结果：

1. 材料比较：原始OP对NH₄⁺吸附占优（负电基团静电吸引），而金属改性后COP@MA对NO₃^?吸附提升3倍（Al³⁺诱导正电荷位点）。
2. 协同机制：PO₄^3?通过内圈络合稳定吸附，而NH₄⁺在高浓度下与PO₄^3?形成鸟粪石晶体（XRD证实）。
3. 土壤修复：NP富集生物炭使酸溶态Cd比例从35%降至12%，同步提升土壤有效磷含量达200%。

该研究首次阐明金属组合模式（Mg-Al vs Mg-Ca）对生物炭多功能性的调控规律，不仅为农业废弃物增值利用提供新技术路径，更开创了"污染治理-资源回收-土壤改良"的闭环解决方案。研究获得江西省杰出青年基金（20242BAB23029）和国家自然科学基金（42367059）支持，其改性策略对全球范围内类似生物质的高值化应用具有重要参考价值。