改性生物炭对水体中氮和磷共去除：改性方法和吸附机制
引用本文:王硕，汪雅茹，尹通，等. 改性生物炭对水体中氮和磷共去除：改性方法和吸附机制[J].化学试剂，2023，45（7）：119-127.DOI:10.13822/j.cnki.hxsj.2023.0136
随着农业、畜牧业、工业等快速发展，过量的氮、磷会导致水体富营养化，使得大量藻类滋生，严重威胁水生态系统的健康。水体中的氮和磷去除至关重要，一种较好的方式就利用基质材料将氮磷吸附之后变成缓释肥，特别是针对农田排水中的氮磷。近年来，生物炭基质作为填料越来越多的应用在人工湿地、农田排水沟渠、生活污水、畜禽养殖尾水等水体的污染控制，提升对氮和磷的吸附效果。
1.综述了改性生物炭对氮和磷的共去除，重点聚焦在改性方法和吸附机制；
2.对未来的研究方向和趋势进行了展望，以期为改性生物炭的制备及水体中氮磷的资源化利用提供参考。
目前，生物炭改性方法主要为矿物质的负载，具体可分为镁改性、铁改性、双金属改性、其他矿物质改性，见图1。
1.1 镁改性
镁改性是提升生物炭同时吸附氮和磷的最常用方法，主要改性剂是MgCl2∙6H2O。有研究制备多孔MgO-生物炭纳米复合材料用于吸附水体中氮和磷，发现对氮和磷的最大吸附量可达94 和835 mg/g。1.2 铁改性
铁改性也是提升生物炭对氮和磷吸附效果的重要手段。采用纳米零价铁结合蒙脱石制备改性生物炭，可以发现改性引入了蒙脱石和零价铁，使得生物炭表面更加粗糙和更多颗粒负载，制造更大的比表面积和孔隙结构，并引入更多的官能团。1.3 双金属改性
双金属同时改性也可以提升生物炭对氮和磷的吸附效果，采用的最多是Mg/Al和Mg/Fe改性。改性生物炭对氮和磷的吸附能力明显高于原始生物炭，这是因为改性生物炭具有较高的比表面积、发达的孔隙结构、较高的反应活性和表面官能团，可以通过物理吸附、静电作用、离子交换、官能团配合和沉淀作用等途径高效去除水体中的氮磷。通常，生物炭对氮磷的吸附是多种机制同时发挥作用，见图2。
2.1 物理吸附（比表面积和孔径）
生物炭的比表面积和孔径在吸附氮磷过程中发挥重要作用，比表面积大和孔隙结构发达有利于更多负载吸附位点，也有助于氮磷的动力学扩散，从而提高对氮磷的吸附效果。2.2 静电作用
生物炭的表面电性在吸附氮磷过程中发挥关键作用，带负电的生物炭更容易通过静电作用吸附带正电的NH4+，而带正电的生物炭更容易吸附PO43-。2.3 离子交换
改性后的生物炭负载多种矿物质离子，能与氨氮和磷酸盐离子之间发生离子交换从而释放更多的矿物质离子到溶液中，从而有效的吸附氨氮和磷酸根离子。创新改性方法研制性能更好的生物炭[56]，实现对水体中氮和磷效果更优更稳定的去除。
目前，改性生物炭对氮磷同步去除的微观机制还有待进一步深入揭示，如微观动力学过程、作用力结合方式、氮磷相互作用等。
“生物炭-矿物质负载”复合材料可用于对水体中氮和磷的共去除，因为矿物质改性可以赋予生物炭更多的吸附位点以实现对氮磷的共去除，如增加比表面积、完善孔隙结构、改变电性、丰富的官能团类型、引入矿物质离子，进而强化静电吸附、离子交换、表面络合、化学沉淀等作用机制。常见的矿物质改性方法包括镁改性、铁改性、双金属改性、其它矿物方法改性方法等。未来的研究方向是：创新生物炭的改性方法；借助先进的手段揭示共去除的微观机制；回收氮磷制备缓释肥；改性生物炭在实际水体中的应用。
