《Journal of Water Process Engineering》：Phosphate removal using an innovative ball-milled steel slag–biochar composite (BM–SS@BC): Assessment of adsorption performance in batch and fixed-bed column systems
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•2:1 钢渣改性生物炭复合材料通过简单的绿色球磨合成。•该复合材料实现了最大磷吸附容量 54.41 mg g?1。•该复合材料在宽 pH 范围内保持了有效的磷吸附。•化学沉淀、表面络合和配体交换是该复合材料主要的磷吸附机理。引言磷作为一种关键的非可再生资源，既是现代农业可持
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2:1 钢渣改性生物炭复合材料通过简单的绿色球磨合成。
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该复合材料实现了最大磷吸附容量 54.41 mg g?1。
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该复合材料在宽 pH 范围内保持了有效的磷吸附。
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化学沉淀、表面络合和配体交换是该复合材料主要的磷吸附机理。
引言
磷作为一种关键的非可再生资源，既是现代农业可持续发展的必需营养素，也是生物生长发育的重要元素 [1], [2]。然而，农业和工业部门密集的人类活动导致大量磷排放到水生系统中，引发了严重的环境后果，如富营养化、藻华、水质恶化和生态系统崩溃 [3], [4]。加剧这一环境挑战的是，被归类为有限资源的全球磷矿储量预计将在未来五十年内耗尽 [5]。环境保护和资源保护的双重压力迫切需要开发有效的磷回收技术。目前，磷回收方法包括化学沉淀、吸附、膜过滤、离子交换和生物处理 [6], [7], [8], [9], [10]。在这些方法中，吸附由于其操作简单、成本低廉、吸附剂来源多样和环境兼容性而成为一种特别有前景的策略 [11], [12]。
向集约化养猪系统的转变在显著提高农业生产力的同时，也产生了需要有效管理策略的大量猪粪 (SM) [13], [14]。虽然将 SM 作为有机肥施用对提高土壤肥力具有潜在益处，但其直接利用受到抗生素、激素、病原体和重金属等污染物存在的限制 [15]。传统的处理方法，包括厌氧消化和堆肥，在降低这些有害成分的生物利用度和毒性方面效果有限 [16], [17], [18]。热转化技术提供了一种有前景的替代方案，通过热解将 SM 转化为功能生物炭，从而实现对污染控制、生物能源生成和高附加值材料合成的综合解决方案 [19], [20]。
生物炭 (BC) 是在氧气有限条件下通过生物质热化学分解获得的富含碳的产品 [21]，由于其丰富的表面官能团、优异的热稳定性和成本效益，在环境应用中引起了广泛关注 [22], [23]。然而，未改性的猪粪衍生生物炭 (SMBC) 在磷吸附方面存在挑战，包括表面带负电荷、活性结合位点有限以及可能释放内源性磷 [24]。这些局限性促使人们越来越关注开发生物炭改性策略以提高磷吸附容量。
常见的改性方法包括涉及酸 [25]、碱 [26]、氧化剂 [27] 的化学处理，以及钙 [3]、铁 [28] 和镧 [29] 等金属浸渍。虽然金属改性生物炭对磷表现出强亲和力 [30], [31]，但使用传统化学试剂可能会增加生产成本并带来环境风险。近期研究侧重于利用富含金属的工业副产品作为可持续替代方案。例如，赤泥改性生物炭通过表面沉淀实现了高达 11.78 mg·g?1 的磷吸附容量 [32]，而磷石膏改性生物炭与原始生物炭相比磷吸附能力提高了五倍 [33]。钢渣 (SS) 是铁冶炼的磁性副产品，含有 10–30% 的铁以及钙、铝和锰氧化物 [34]，由于其碱性和高表面反应性，在除磷方面显示出特别的希望 [35], [36]。随着中国 SS 库存接近 20 亿吨，开发这种工业残渣的高价值应用既是环境必然要求，也是资源利用机会 [37], [38]。
目前金属 - 生物炭复合材料的制造方法通常涉及化学浸渍或共热解技术。Liu 等人 [3] 用 CaCl2 改性废咖啡渣生物炭以去除磷。Biswas 等人 [39] 用 MgCl2 浸渍松树皮生物炭以同时吸附磷和氮。Quisperima 等人 [40] 通过高温热解从土豆皮和蛋壳制备 Ca-生物炭复合材料，并在水环境中实现了高磷去除效率。相比之下，球磨作为一种无溶剂、节能的改性技术，通过机械化学活化提高材料反应性，具有独特的优势 [41], [42]。
基于这些进展，本研究引入了一种创新的球磨钢渣 - 生物炭复合材料 (BM-SS@BC)，由 SM 和 SS 合成，用于高效磷回收。研究目标为：(1) 表征 BM-SS@BC 的理化性质；(2) 优化吸附参数，包括 SS/BC 质量比、BC 热解温度、吸附剂用量、初始溶液 pH 和离子干扰；(3) 阐明 BM-SS@BC 磷吸附的动力学、等温线及潜在机理；以及 (4) 评估其在固定床柱装置中的动态吸附性能。
章节摘要
实验材料
本研究中使用的 SS 来自方大特钢科技股份有限公司 (江西南昌) 提供的预磁选转炉渣。其化学成分总结于表 S1。SM 收集自江西省南昌的一家养殖场。SM 经过干燥、机械粉碎，并通过 100 目筛分后，作为生物炭生产的原料储存。分析级试剂，包括磷酸二氢钾，
BM-SS@BC 制备条件的优化
为了确定吸附剂的最佳制备参数，使用不同的 SS/BC 质量比和热解温度合成了多种 BM-SS@BC 样品。图 1(a) 展示了不同 SS/BC 比率的 BM-SS@BC 复合材料的磷吸附性能。随着 SS/BC 比率从 1:2 增加到 2:1，观察到吸附容量显著增强，在 2:1 比率 (BM-SS@BC2) 时达到最大值，实现吸附容量 46.46 mg·g?1。这
结论
在本研究中，BM-SS@BC2 通过球磨 SM 衍生生物炭和 SS 成功合成，用于从废水中高效去除磷。批次吸附实验表明，BM-SS@BC2 表现出 54.41 mg·g?1 的最大磷吸附容量，并在宽 pH 范围内保持了优异的性能。吸附行为最好由 Elovich 和 Freundlich 模型描述，表明在异质表面上发生多层化学吸附。固定床
CRediT 作者贡献声明
Qin Li: 写作 – 初稿，方法论，资金获取。 Cong Zhan: 调查，数据整理。 Tonghui Deng: 调查，数据整理。 Haiwei Jiang: 监督。 Li Wu: 可视化。 Zhuo Jia: 资金获取，形式分析，概念化。
资助
本研究得到 江西省自然科学基金 (项目编号：20232BAB213080, 20242BAB20238) 和 国家自然科学基金 (项目编号：42202278) 的资助。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，可能会影响本文报道的工作。
Qin Li|Cong Zhan|Tonghui Deng|Haiwei Jiang|Li Wu|Zhuo Jia
