MgO改性生物炭：通过定向吸附与控释技术构建水体-土壤磷素循环的绿色桥梁

推荐：本研究针对全球面临的水体磷污染与磷矿资源枯竭双重挑战，创新性地采用化学发泡法制备MgO改性生物炭（MgO-BC），实现了废水中磷的高效吸附（189.90 mg/g）与农业土壤中的缓释利用（35天释放59.02%）。该材料通过静电作用和络合反应机制捕获磷，显著提升小白菜生物量（干重增加131.58%）和根系发育，为磷素循环经济提供了可持续解决方案。

　　

随着全球人口增长和农业集约化发展，磷资源短缺与水体富营养化已成为威胁生态安全和粮食生产的双重危机。据统计，每年施用的磷肥仅5-30%被作物吸收，剩余部分通过径流进入水体引发藻华，而磷矿储量预计仅能维持300年。这种"既匮乏又过剩"的矛盾局面亟需创新技术破解。传统废水除磷方法如化学沉淀和生物处理存在污泥产量大、磷回收困难等问题，而缓释肥料研发则面临成本高、环境风险等挑战。

针对这一难题，东北农业大学的科研团队在《Industrial Crops and Products》发表研究，提出"吸附-缓释"一体化解决方案。他们以玉米秸秆为碳源、Mg(HCO₃)₂为发泡剂兼镁源，通过阶梯热解（750℃）创新制备出蜂窝状MgO改性生物炭（MgO-BC）。这种材料既可作为高效磷吸附剂，又能转化为缓释肥料，形成"废水处理-资源回收-农业应用"的闭环系统。

研究采用化学发泡法制备材料，通过SEM/TEM观察多孔结构，FT-IR和XPS分析表面官能团，结合吸附动力学和热力学模型阐明机制。设置土壤柱淋溶实验和盆栽试验（以小白菜为模式作物），监测35天内磷释放规律及植物生长响应。

材料特性
MgO-BC呈现三维蜂窝结构，比表面积达86.36 m²/g，MgO纳米晶（70.17±1.15 nm）均匀分散。XRD证实形成MgO晶体（JCPDS 45-0946），XPS显示表面富含含氧官能团（C-O-C占25.39%）。独特的孔隙 hierarchy（微孔-介孔-大孔）为磷吸附-释放提供理想通道。

吸附性能
在pH=7时达到最佳吸附效果，符合伪二级动力学模型（R²=0.9696），最大吸附量189.90 mg/g，优于多数报道材料。机理研究表明，静电吸引（Mg²⁺与PO₄^3-）和表面络合（形成KMgPO₄·6H₂O）是主导机制。实际废水处理中去除率达98.3%，且CO₃^2-竞争效应弱于SO₄^2-和Cl^-。

缓释特性
Ritger-Peppas模型（n=0.4023）表明磷释放遵循Fick扩散定律。土壤淋溶实验中，MgO-BC-P_ads组35天累计释磷量（59.02%）显著低于过磷酸钙（CF）组，且无突释现象。FT-IR显示释放后Mg-O键（570.19 cm^-1）振动减弱，XRD证实KMgPO₄·6H₂O晶体溶解。

农业应用
盆栽试验显示，MgO-BC-P_ads处理使小白菜干重提升131.58%，根系表面积增加76.39%。土壤分析发现，根际有效磷含量维持在24.85-33.19 mg/kg理想范围，DOC（溶解性有机碳）增加46.62%，促进养分循环。根系扫描显示处理组根长（23.75 cm）和根尖数（295个）显著增加，证实其促生优势。

该研究开创性地将"化学发泡"原理应用于环境功能材料设计，通过Mg(HCO₃)₂热解产生的内生CO₂同步实现孔道工程和纳米MgO限域生长。相比传统改性方法，该技术避免孔道堵塞问题，且无需外加活化剂。作为"磷素载体"，MgO-BC兼具污染治理（吸附）和资源转化（肥料）双重功能，其环境效益体现在三方面：降低磷矿依赖（每克材料可回收约0.2g磷）、减少农业面源污染、改善土壤结构。未来研究可进一步优化镁磷摩尔比，并评估长期田间应用对土壤微生物组的影响。这项工作为发展"生物质-生物炭-生物肥料"的循环经济模式提供了科学范本。