吸附材料0413 | 西安理工大學ER綜述 | 生物炭從水中回收磷：進展、應用和挑戰

2025年7月15日，國際期刊《Environmental Research》在線發表了題為“Biochar-enabled phosphorus recovery from aqueous: Advances, applications and challenges”的綜述性論文。本文系統綜述了生物炭在水體磷回收領域的研究進展、應用現狀與未來挑戰。圍繞全球水體富營養化與磷資源短缺的雙重壓力，文章從生物炭的制備工藝、改性策略、磷吸附性能調控因素、吸附動力學與熱力學機制、工程應用可行性、磷飽和生物炭的再生利用及作為緩釋磷肥的農業應用等方面進行了全面梳理。核心敘事并非單一材料性能優化，而是圍繞“制備—機理—應用—循環”主線，將生物炭原料選擇、金屬（Ca、Mg、Fe、Al、La等）摻雜改性、多機制協同吸附（孔隙填充、離子交換、配體交換、表面沉淀、靜電吸引、表面絡合）統一到一個可量化、可調控、可拓展的磷回收與資源化體系，并系統闡釋了其在動態吸附、實際廢水處理、技術經濟評估與生命周期評估方面的綜合優勢與工程可行性。《Environmental Research》是Elsevier旗下期刊，該期刊2025-2026最新影響因子為7.7，主要刊登環境科學、環境化學、環境修復等領域的創新研究成果，屬于中科院環境科學與生態學2區（Top期刊）期刊。

第一作者：潘峰

通訊作者：魏紅

通訊單位：西安理工大學

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.envres.2025.122329

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磷是作物生產必需的營養元素，但其徑流對水質構成了嚴重威脅。過量磷的排放不僅對環境有害，還會造成寶貴資源的浪費。因此，開發先進技術以同時緩解水體磷污染和應對全球磷資源短缺顯得十分緊迫。近年來，雙碳戰略激發了人們對生物炭應用的更多關注。這種生態友好型材料具有豐富的表面官能團，在水體磷回收方面展現出顯著潛力。此外，負載磷的生物炭可進一步用作緩釋磷肥，提高土壤磷的有效性，促進農業生產，同時緩解當前全球磷資源緊張的局面。通過對相關文獻的綜合分析，本文綜述了生物炭的制備技術、控制磷回收的關鍵參數、生物炭吸附磷的吸附機理，以及在工程應用系統中面臨的實施挑戰。此外，系統分析了磷飽和生物炭的再生過程及其作為磷基肥料的潛在應用。最后，指出了基于生物炭的磷回收當前面臨的挑戰和未來的發展方向。

隨著工農業快速發展，大量含磷廢水排入水體，導致全球范圍內水體富營養化問題日益嚴重，水生生態系統遭受破壞。與此同時，磷作為一種不可再生的有限資源，全球儲量預計在70–140年內耗盡，且分布極不均衡，多數國家依賴磷進口以保障糧食安全。中國作為農業大國，磷礦儲量僅占全球4.7%，卻消耗了約75.6%的磷資源用于農業生產，磷資源短缺與水環境污染的矛盾尤為突出。在雙碳戰略推動下，開發低碳、高效的磷回收技術成為研究熱點。生物炭作為一種由廢棄生物質制備的富碳多孔材料，具有原料廣泛、成本低廉、孔隙結構發達、表面官能團豐富等優勢，對水體中磷表現出優異的吸附性能。同時，吸附磷后的飽和生物炭可進一步用作緩釋磷肥，改善土壤性質并促進作物生長，實現“污染治理—資源回收—農業應用”的綠色循環發展路徑。因此，系統研究生物炭對水體磷的回收性能及資源化路徑，具有重要的環境意義和應用價值。

1、綜述了生物炭從水相中回收磷的最新進展與應用挑戰。

2、分析了生物炭原料選擇、改性方法及關鍵制備參數對磷回收效率的影響。

3、討論了生物炭吸附磷的多種機制：孔隙填充、離子交換、配體交換、表面沉淀、靜電吸引及表面絡合。

4、總結了生物炭吸附磷在動態吸附、實際廢水應用、技術經濟評估及生命周期評估的研究現狀。

5、總結了磷飽和生物炭的兩種管理路徑：再生回用與作為緩釋磷肥的農業資源化利用。

圖1.Web of Science數據庫（2011–2023年）統計結果：(a)生物炭用于磷回收的年度發文量估算；(b)不同國家關于生物炭磷回收的發文量；(c)關鍵詞共線性分析；(d)對應的關鍵詞熱力圖。

圖2.原始生物炭（a）和改性生物炭（b）的制備流程(Yan et al., 2024)。

圖3. (a)鈣負載生物炭對磷的吸附機理（Liu et al., 2024b）；(b)氧化鎂負載生物炭對磷的吸附機理（Luo et al., 2021）；(c)鐵負載生物炭對磷的吸附機理（Yang et al., 2018）；(d)三氧化二鋁負載生物炭對磷的吸附機理（Velu et al., 2021）；(e)鑭負載生物炭對磷的吸附機理（Liao et al., 2018）。

圖4.工藝參數對磷吸附的影響：(a)生物炭投加量（Wang et al., 2020a）；(b)溶液pH值（Pan et al., 2024）；(c)吸附時間（Liu et al., 2024a）；(d)吸附溫度（Liu et al., 2024b）；(e)共存離子（Liu et al., 2024b）；(f)初始腐殖酸濃度（Zhong et al., 2019）。

圖5.金屬負載生物炭回收磷的主要機制。

圖6. (a)動態吸附系統示意圖（Chen et al., 2023）；(b)固定床柱的穿透曲線（Sun et al., 2022）；(c)不同生物炭投加量下的磷去除穿透曲線及其在實際含磷水體中的應用（Qin et al., 2022）。

圖7. (a)富磷生物炭的管理策略（Jellali et al., 2023）；(b)磷的回收與再利用（Zhang et al., 2025）；(c)富磷生物炭促進生菜生長（Chen et al., 2018）；(d)鎂鑭共改性富磷生物炭對黑麥草生長指標的影響（Zhu et al., 2023）。

本綜述系統梳理了生物炭在水體磷回收方面的潛力，以應對全球水體富營養化與磷資源短缺的雙重挑戰。主要結論如下：

主要研究結論如下：

1. 原始生物炭吸附性能有限，金屬摻雜可顯著提升吸附容量。源自富鈣生物質（如蛋殼、蟹殼）的生物炭因其固有礦物組成而表現出優異的磷吸附能力。生物炭對磷的吸附易受pH值、共存離子和溶解性有機物影響，因此減輕這些干擾效應的策略是未來研究的關鍵前沿。

2. 數學建模有助于闡明吸附機理。動力學分析揭示了物理吸附與化學吸附并存的雙重機制。Freundlich等溫線證實了多層吸附的可行性，Langmuir模型量化了單層最大吸附容量。熱力學參數證明了吸附過程的自發性和吸熱性質。光譜與顯微表征確定了孔隙填充、離子交換、配體交換、表面沉淀、靜電吸引和表面絡合等多種共存機制。

3. 動態吸附、技術經濟評估和生命周期評估證實了生物炭的實際應用潛力。再生技術的進步為規模化應用奠定了基礎。磷負載生物炭作為緩釋肥料，能夠促進植物生長、改善土壤理化性質、提高酶活性和微生物多樣性，為可持續磷肥開發開辟了新范式。

未來研究應重點關注以下領域：

1. 生物炭制備方法優化：深入研究原料選擇、熱解溫度及金屬摻雜的影響，系統探索廉價環保的鈣、鎂作為改性金屬的應用潛力。

2. 大規模生產。聚焦工業中試和實際應用，同時評估生物炭對生態和人類健康的潛在風險。

3. 實際水體應用。優先研究多污染物共存體系中的磷回收，實現水體修復與營養鹽循環利用的雙重目標。

4. 磷負載生物炭肥料化應用。調查磷負載生物炭的植物毒性和微生物抑制效應，通過劑量響應研究確定最佳施用量，并評估農業應用的社會經濟障礙與政策框架。

F. Pan, H. Wei, Y. Huang, W. Guo, J. Song, Z. Zhang, R. Teng, M. Gao, S. Jing, B. Shi, Biochar-enabled phosphorus recovery from aqueous: Advances, applications and challenges, Environ. Res. 285 (2025) 122329.https://doi.org/10.1016/j.envres.2025.122329

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本推文為公眾號約稿，屬于作者原創，歡迎轉發。

撰稿：潘峰

編輯：環境與能源功能材料

審核：魏紅

潘峰（第一作者），西安理工大學生態環境與化工學院2024級博士研究生。研究方向為固體廢棄物資源化與水處理技術。以第一作者身份在J. Cleaner Prod、Environ. Res等期刊上發表SCI論文3篇。

魏紅（通訊作者），博士，教授，博士生導師，主要研究方向為新污染物檢測及控制技術、高級氧化催化材料、固體廢物高值資源化。主持國家自然科學基金面上項目及青年項目、陜西省科技廳項目等國家級及省廳級項目9項。在J. Cleaner Prod、Environ. Res等期刊發表論文50余篇，其中ESI高被引論文1篇（J. Cleaner Prod, 2024, 444: 141233）。主講《高等環境化學》《有機化學》《環境化學》《固體廢物處理工程》等課程，主持校級教改項目3項，獲批校級精品課程1門，獲校級教學成果獎2項。獲陜西省高等學校科學技術二等獎、陜西省科學技術進步獎二等獎。擔任旱區水工程生態環境全國重點實驗室固定研究人員、陜西省水力發電與新能源工程學會水庫與生態環境專委會委員、陜西省科技項目評審專家。

2025年 06 月 ，國際TOP期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》發表了陽光凈水課題組題為 “Sustainable chitosan-based adsorbents for phosphorus recovery and removal from wastewater: A review” 最新 綜述論文。本文全面綜述了用于廢水中磷回收和去除的殼聚糖基吸附材料（CSMats）的性質、改性方法、影響因素。同時，總結了CSMats吸附去除水體磷的主要作用機理（氫鍵、靜電作用、路易斯酸堿相互作用、配體/離子交換和表面沉淀作用）。此外，還歸納了CSMats的再生方法、連續流處理和在實際廢水中應用。 最后，討論了 CSMats除磷材料面臨的挑戰和未來發展方向。《 International Journal of Biological Macromolecules 》主要聚焦于天然大分子的化學改性及其在生物、環境、制藥、食品等領域的工業應用，2025年6月最新影響因子/中科院分區： 8. 50/ TOP 期刊。該論文自 2024 年1 月線上發表以來，現已被引用16 次（Web of Science ），2026年1月入選ESI高被引論文。

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2024 年 1 月，國際期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》期刊發表了陽光凈水課題組題為 “A review on chitosan/metal oxide nanocomposites for applications in environmental remediation“ 的綜述性論文。更清潔、更安全的環境是未來最重要的要求之一。與傳統材料相比，殼聚糖具有豐富的生物相容性、生物降解性、成膜能力和親水性，是一種更環保的功能材料。由于殼聚糖分子鏈上豐富的 -NH2 和 -OH 基團可以有效地與各種金屬離子螯合，殼聚糖基材料作為金屬氧化物納米材料（ TiO2 、 ZnO 、 SnO2 、 Fe3O4 等）的多功能支撐基質具有巨大的潛力。近年來，許多殼聚糖 / 金屬氧化物納米材料（ CS/MONM ）作為吸附劑、光催化劑、非均相類芬頓試劑和傳感器，在環境修復和監測中具有潛在和實際的應用。本綜述全面分析和總結了CS/MONMs復合材料的最新進展，這將為CS/MONMs復合材料的制備和廢水處理應用提供豐富而有意義的信息，并有助于研究人員更好地了解CS/MONMs復合材料在環境修復與監測中的潛力。該論文自 2024 年 1 月線上發表以來，現已被引用68 次（ Web of Science ），國際引用占比65.0%。

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2024 年 2 月，國際期刊《 Separation and Purification Technology 》發表了陽光凈水課題組題為 “ A review on the progress of magnetic chitosan-based materials in water purification and solid-phase extraction of contaminants” 的綜述性論文。污染物檢測和水凈化對于實現環境保護和資源利用非常重要。構建新型功能材料去除各種污染物也變得越來越重要和緊迫。本綜述總結了磁性殼聚糖（M-CSbMs）的3種可靠制備策略（原位策略、兩步策略和沉積后策略），并詳細介紹了M-CSbMs在有效吸附/光催化去除污染物（如重金屬離子、有機染料、抗生素和其他污染物）和磁性固相萃取超低濃度污染物等方面的研究進展。最后，提出了 M-CSbMs 目前面臨的挑戰和前景，以期促進其在水凈化和固相萃取污染物方面的實際應用。該論文自 2024 年 2 月發表以來，現已被引用 46 次（ Web of Science ）。

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