硼酸改性小龙虾壳生物炭通过钙共沉淀实现高效磷酸盐去除

为解决水体富营养化中磷酸盐污染问题，研究人员通过硼酸（H3BO3）改性小龙虾壳生物炭（BPC），显著提升其磷酸盐吸附性能。实验表明，改性后的BPC比表面积增至37.74 m2 g-1，磷酸盐去除率从30.1%提升至99.2%，最大吸附容量达12.14 mg g-1，且对共存离子耐受性优异。该研究为废弃生物质资源化及水体修复提供了新策略。

　　

水体富营养化是当今全球面临的重要环境问题，其中磷酸盐的过量排放是导致藻类爆发性生长的主要原因之一。传统的水处理方法如生物处理、混凝沉淀等虽有一定效果，但存在成本高、效率低等问题。生物炭作为一种新兴的吸附材料，因其成本低、环境友好等优点备受关注，但原始生物炭的吸附能力有限，尤其是对磷酸盐的去除效率不高。与此同时，中国作为小龙虾养殖和消费大国，每年产生大量废弃小龙虾壳，这些壳中含有丰富的钙元素，为生物炭的制备提供了理想原料。

针对这一现状，武汉某食品市场提供的小龙虾壳为原料，研究人员通过高温热解和硼酸改性，成功制备出具有高效磷酸盐吸附性能的改性生物炭（BPC）。研究发现，硼酸的加入不仅提高了生物炭的比表面积，还通过形成B-C键和硼酸盐基团，显著增强了材料的吸附能力。改性后的BPC在宽pH范围内表现出优异的磷酸盐去除性能，且对共存离子如Cl^-、SO₄^2-等具有高耐受性。

研究采用了扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）等技术对材料进行表征。通过动力学和等温吸附实验，发现BPC的磷酸盐吸附过程符合伪一级动力学模型和Langmuir等温模型，最大吸附容量达到105.25 mg g^-1。此外，循环实验表明，BPC在5次重复使用后仍能保持92.4%的去除效率，显示出良好的稳定性。

研究结果表明，BPC的磷酸盐去除机制主要包括钙共沉淀和表面吸附。钙离子（Ca²⁺）与磷酸盐形成羟基磷灰石（Ca₅(PO₄)₃(OH)）沉淀，而硼酸的加入通过抑制钙的溶出，进一步提高了材料的吸附效率。这一发现不仅为废弃小龙虾壳的资源化利用提供了新思路，也为水体磷酸盐污染治理开发了一种高效、低成本的新型吸附材料。

该研究的创新性在于通过简单的化学改性，显著提升了生物炭的磷酸盐吸附性能，同时解决了废弃生物质处理的问题。未来研究可进一步探索BPC在实际水体中的应用效果，以及与其他水处理技术的协同作用，为水体富营养化治理提供更全面的解决方案。论文发表在《Desalination and Water Treatment》期刊上，为环境科学与工程领域的研究提供了重要参考。