钙质马尾藻衍生吸附剂高效回收合成尿液中磷：迈向循环经济的关键一步

研究人员针对加勒比海岸马尾藻(Sgs)堆积造成的环境问题，创新性地将这种入侵生物质通过800°C煅烧转化为富钙吸附剂(CSgs)，用于从合成尿液(705.56 mg P/L)中回收磷(P)。研究表明，CSgs在15 g/L剂量下可实现97%的P回收率，最高吸附容量达46 mg P/g，通过沉淀形成羟基磷灰石(Ca5(PO4)3OH)和透钙磷石(CaHPO4?2H2O)。回收的P在2%甲酸中溶解度达94-97%，具有显著农用价值。成本分析显示处理0.5m3尿液仅需5.99美元，为海岸带废物资源化提供了经济可行的解决方案。

　　

近年来，加勒比海沿岸频发的马尾藻(Sargassum spp.)大规模入侵已成为严峻的生态经济危机。这些褐藻在墨西哥坎昆和玛雅海岸的疯狂堆积不仅产生恶臭、破坏水质，更导致2019年当地酒店入住率下降2.2-5.0%。传统处理方式耗资巨大——仅金塔纳罗奥州政府2018年就投入6200万比索(约300万美元)用于清理，却未能从根本上解决问题。与此同时，全球磷矿资源日趋枯竭，而人类尿液虽仅占污水总量1%，却贡献了50-80%的营养负荷，这种资源错配催生了"从废物到资源"的循环经济需求。

墨西哥国立理工学院高级研究中心(Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional)的科研团队独辟蹊径，将这两种环境挑战转化为协同解决方案。他们利用富含钙(40.51wt% CaCO₃、43.68wt% Ca(OH)₂)的马尾藻生物质，通过800°C煅烧制备新型吸附剂(CSgs)，成功从合成尿液中回收磷并转化为高价值肥料，相关成果发表在《Biomass and Bioenergy》。

研究采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)进行材料表征，通过批次吸附实验考察不同pH(6和10)及剂量(0.5-15g/L)下的磷去除效率，并运用Langmuir等温模型分析吸附机制。来自坎昆海滩的天然马尾藻样本经标准化处理后，在模拟尿液(含KH₂PO₄ 3100mg/L)体系中进行动力学研究，最终通过2%甲酸溶解度测试评估回收磷的农用潜力。

3.1 合成尿液中磷的吸附动力学

在1g/L剂量下，CSgs展现快速吸附特性：前100分钟即捕获250mg P/g，24小时后达315mg P/g饱和值。伪二级动力学模型(R²=0.914)表明这是化学吸附主导的过程，涉及Ca(OH)₂活性位点与磷酸根离子的电子交换。剂量实验显示15g/L时P去除率高达97%，溶液pH从7.0升至12.9，促使PO₄^3-主导的羟基磷灰石沉淀，而低剂量(0.5-2.5g/L)时则形成HPO₄^2-为主的透钙磷石。

3.2 pH6与pH10条件下的应用

Langmuir模型显示pH6时最大吸附量(293±16mg P/g)显著高于pH10(158±6mg P/g)，这与FTIR检测到的物种转变一致：酸性条件下1054cm^-1处的HPO₄^2-特征峰对应透钙磷石，而碱性条件下560cm^-1的PO₄^3-振动则指示羟基磷灰石形成。XRD定量分析证实pH6处理产物含89.24wt%透钙磷石，pH10样品含35.7wt%羟基磷灰石。

3.3 与其他钙基材料的对比

CSgs的磷回收性能媲美商业Ca(OH)₂，但具有显著成本优势：其原料来自免费的海藻废弃物，处理每吨生物质仅需216美元，折合吸附剂成本0.72美元/kg。相较之下，传统化学沉淀法需额外调节pH至9(使用NaOH)，且晶体分离困难导致实际回收率仅约55%。

3.4 磷的生物有效性

回收产物在2%甲酸中的磷释放率高达94±6%，水溶性磷(WSP)为14±3%，这种缓释特性既能避免农业径流损失，又适合酸化土壤改良。SEM观测显示吸附后颗粒表面均匀分布Ca-P-O元素，证实了磷酸钙的成功固定。

3.5 成本估算

以处理0.5m3/h尿液流为例，CSgs吸附系统的总成本约5.99美元/0.5m3，其中能源消耗仅占0.45美元/kg P。这种分散式处理方案特别适合高密度建筑群的尿液分流系统，可实现"就地处理-就地利用"的闭环管理。

该研究开创性地将海岸带生态威胁转化为可持续资源，其三重价值体现在：环境上缓解马尾藻堆积压力，经济上降低磷回收成本，农业上产出缓释肥料。特别是将尿液处理pH提升至12.5的设计，同步抑制了尿素酶活性，为营养物协同回收提供新思路。未来研究需关注原料成分波动性、热解能耗优化及田间肥效验证，以推动这项技术从实验室走向海岸带综合治理实践。