镁氧化物改性生物炭的化学发泡法制备及其在磷回收与缓释肥料应用中的双重功效

本研究针对水体磷污染和磷矿资源枯竭双重环境挑战，创新性地开发了MgO改性生物炭(MgO-BC)的化学发泡制备技术。通过以玉米秸秆为碳源、Mg(HCO3)2为发泡剂和镁源，构建了蜂窝状结构材料，实现了189.90 mg/g的磷吸附容量和59.02%的缓释效率，为废水磷回收与农业增值提供了可持续解决方案。

　　

全球正面临两个相互关联的环境危机：水体富营养化加剧与磷矿资源不可逆枯竭。传统磷肥利用率仅5-30%，过量施用导致每年数百万吨磷流失至水体，而现存磷矿储量预计仅能维持300年。这种"污染-浪费-短缺"的恶性循环迫使科学家寻找创新解决方案。东北农业大学的研究团队在《Industrial Crops and Products》发表的研究中，提出了一种革命性的双赢策略——将农业废弃物转化为高效磷吸附剂，再升级为智能缓释肥料，实现从"污染治理"到"资源循环"的闭环。

研究采用化学发泡法这一关键技术，通过玉米秸秆浸渍Mg(HCO₃)₂溶液后热解，利用盐分解产生的CO₂自发造孔，同步实现MgO纳米颗粒的均匀负载。结合批次吸附实验、土壤柱淋溶和盆栽试验，系统评估了材料性能。表征手段包括FE-SEM/EDS观察微观形貌，FT-IR分析表面官能团，XPS测定元素化学态，以及N₂吸附-脱附测定比表面积。

材料特性方面，MgO-BC-2展现出86.36 m²/g的比表面积和0.28 cm³/g的孔容积，TEM显示70 nm的MgO晶体均匀分散。XRD证实形成了MgO(JCPDS 45-0946)晶相，而FT-IR显示丰富的Mg-O(570 cm^-1)和C=O(1435 cm^-1)活性位点。

磷吸附性能显示，在pH=7时达到最佳吸附量189.90 mg/g，符合准二级动力学模型(R²=0.9696)，表明化学吸附主导过程。XPS分析发现吸附后出现P 2p(133.0 eV)特征峰，证实形成KMgPO₄·6H₂O晶体(JCPDS 35-0812)。竞争离子实验显示吸附选择性为CO₃^2- > SO₄^2- > Cl^-。

缓释特性研究发现，Ritger-Peppas模型(R²=0.9443)最能描述磷释放行为，释放指数n=0.4023表明Fickian扩散机制。土壤淋溶35天后，MgO-BC-P_ads组累计释放量(24.4 mg)显著低于过磷酸钙组(44.25 mg)，符合中国缓释肥料标准GB/T 23348-2009。

农业应用效果显示，与对照(CK)相比，MgO-BC-P_ads处理使小白菜单株干重增加131.58%，根长增长52.24%。土壤分析表明，其使根际土壤有效磷含量维持在33.19 mg/kg以上，同时提升溶解性有机碳(DOC)46.62%。

这项研究开创性地将烘焙工艺启发应用于环境材料设计，通过Mg(HCO₃)₂的分阶段热解(50-350℃释放CO₂造孔，750℃形成MgO)实现了"孔道工程-金属分散"的协同调控。所构建的"生物质-生物炭-生物肥料"技术路径，不仅为每年7.6亿吨农业磷流失提供了回收方案，其59.02%的磷释放率更使磷肥利用率提升近20倍。这种将环境治理与农业生产无缝衔接的策略，为发展循环农业提供了可推广的范式，其意义远超单纯的污染控制技术，而是重构了磷元素的社会代谢路径。