《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Closing the phosphorus loop through sustainable Ca-biocomposites from agroindustrial waste for removal, recovery, and slow-release fertilizer production: Mechanistic insights and life cycle assessment
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瓦伦蒂娜·奥斯皮纳-蒙特奥亚（Valentina Ospina-Montoya）|塞巴斯蒂安·佩雷斯（Sebastián Pérez）|胡安·穆尼奥斯-萨尔达尼亚（Juan Mu?oz-Salda?a）|安赫丽卡·福尔吉奥尼（Angélica Forgionny）|伊玛尼·麦迪逊
瓦伦蒂娜·奥斯皮纳-蒙特奥亚（Valentina Ospina-Montoya）|塞巴斯蒂安·佩雷斯（Sebastián Pérez）|胡安·穆尼奥斯-萨尔达尼亚（Juan Mu?oz-Salda?a）|安赫丽卡·福尔吉奥尼（Angélica Forgionny）|伊玛尼·麦迪逊（Imani Madison）|罗桑杰拉·索萨尼（Rosangela Sozzani）|罗汉·C·托塔（Rohan C. Thota）|胡安·克劳迪奥·尼诺（Juan Claudio Nino）|娜塔莉亚·A·卡诺-隆多尼奥（Natalia A. Cano-Londo?o）|伊丽莎白·弗洛雷斯（Elizabeth Flórez）|南希·阿塞拉斯（Nancy Acelas）
研究团队：Impact Materials Group（Mat&mpac），基础科学研究所，麦德林大学，Carrera 87 No. 30-65，麦德林 050026，哥伦比亚
摘要
磷（P）的稀缺性和由营养物质引起的水污染增加了对可持续材料的需求，这些材料能够从废水中回收磷并实现其再利用。本研究利用热解技术从牛油果皮和蛋壳残渣中合成了基于钙的生物复合材料（AVES），并评估了它们在磷去除、回收和环境影响方面的性能。在测试的各种配方中，AVES-1:2表现出最高的吸附能力（186 ± 12 mg P/g^-1），这归因于在磷吸收过程中转化为磷酸钙矿物的活性钙相。吸附过程主要由钙介导的化学吸附和沉淀作用主导，即使在存在竞争性阴离子的情况下也表现出对磷酸盐的高选择性。在磷负载后，AVES表现为缓释肥料，提高了酸性土壤中的磷有效性并增加了pH值。从摇篮到大门的生命周期评估显示，AVES在所有ReCiPe中期类别中的环境影响均显著低于传统的功能化混合树脂，尤其是在气候变化方面（4.30 vs 10.29 kg CO?-eq/kg吸附剂）。结合其低成本生产（6.4 USD/kg），这些发现表明AVES是一种经济可行、循环利用且可扩展的解决方案，适用于磷的去除、回收和农业再利用。
引言
磷（P）是农业生产和生态系统功能所必需的营养物质。然而，其主要全球来源——磷矿石是不可再生的，并且在全球地理分布上极不均匀[1]。矿石质量的下降、开采成本的上升以及储量的地缘政治差异加剧了人们对长期磷安全的担忧[2][3]。这些挑战因预计到2060年全球食品需求将增加约40%而进一步加剧，鉴于大约93%的磷矿石产量已经用于食品系统[4]，预计磷消费量将显著增加。
与此同时，来自市政和农业工业活动的高磷废水的排放导致富磷水体的富营养化、生物多样性丧失和水质下降。因此，从废物流中回收磷已成为减轻环境影响并生成农业可再生营养来源的战略重点。这一双重挑战符合循环经济原则和全球可持续发展目标[5][6][7][8]
在可用的技术中，吸附技术因其操作简便、相对较低的能源需求以及适应分散式处理系统的能力而成为去除磷的最有前景的方法之一。在这种情况下，从农业工业残渣中衍生的生物炭基吸附剂提供了低成本、可扩展且碳负排放的污染物捕获平台[9]。然而，原始生物炭通常由于活性位点密度低和表面电荷主要为负而具有有限的磷亲和力。为了克服这些限制，广泛探索了用碱土金属（如钙（Ca^2+）和镁（Mg^2+）进行表面改性的方法[10][11]。这些金属通过表面络合和沉淀促进磷酸盐的去除，形成稳定的Ca-P相（如brushite、monetite和hydroxyapatite (Ca10(PO4)6(OH)2)），从而提高了吸附能力和营养物质的回收潜力[8]。
最近的研究报告称，经钙改性的生物炭具有较高的磷吸附能力（通常超过140–300 mg/g），这主要是由于热处理过程中生成了活性钙氧化物（CaO）、氢氧化钙（Ca(OH)2）和碳酸钙（CaCO3）[12]。除了吸附性能外，这些材料还显示出作为缓释肥料的潜力，能改善土壤中的磷有效性、缓冲酸度并促进植物生长。然而，大多数研究主要集中在吸附性能上，而较少有研究提供包括机制理解、农学功能、环境影响和经济可行性在内的综合评估。
从实施的角度来看，磷回收技术的经济可行性对于大规模应用至关重要，特别是在低收入和中等收入地区。先进的工程吸附剂（如镧基吸附剂、壳聚糖复合材料或纳米结构材料[13]）通常具有高去除效率，但成本较高。相比之下，源自农业废弃物的基于钙的生物炭的生产成本可低于10美元/千克，显著提高了成本效益[14]。成本指标（定义为每单位成本去除的磷质量）一致表明，基于钙的生物复合材料优于大多数商业吸附剂，能够在最小化对昂贵化学品依赖的同时实现更经济有效的营养回收。因此，将低成本原料与高性能的基于钙的化学物质结合，为磷的管理提供了一条经济可行的、可扩展的途径。
生命周期评估（LCA）已成为评估基于生物炭的技术可持续性的关键工具[10][15][16]。虽然热解通常是环境影响的主要因素，但使用废弃生物质、低试剂消耗和碳封存潜力通常导致与合成替代品相比的环境负担显著降低。将LCA与成本分析相结合，可以全面评估基于生物炭的吸附剂生产和应用过程中的环境和经济权衡。
在这项研究中，我们开发了一种通过控制热解从牛油果皮和蛋壳合成的钙改性生物复合材料。研究目标是：(i) 评估钙生物复合材料的磷吸附能力及其相关的动力学、等温线和热力学行为；(ii) 通过先进的表征技术阐明主要的磷去除机制；(iii) 评估这种含磷材料作为酸性土壤中缓释肥料的潜力及其对植物吸收磷的有效性；(iv) 对生产过程进行从摇篮到大门的生命周期评估和经济评估。通过结合吸附性能、机制洞察、农学功能和可持续性指标，本研究提供了基于钙的生物复合材料作为可行的循环材料用于磷回收和再利用的全面评价。
部分片段
材料
从哥伦比亚麦德林的一家当地餐厅连续两天收集了由蛋壳（ES）和牛油果皮（AV）组成的农业工业残渣。收集后，将残渣储存在密封容器中并在冷藏条件下（约4°C）保存，以最大限度地减少微生物降解。随后用自来水彻底清洗以去除附着的有机物，然后用去离子水冲洗，并在105°C下烘干24小时。
关于磷吸附的初步实验
初步评估表明，含有来自蛋壳的富钙相显著增强了生物复合材料基质中的磷去除效果（图3a）。热解后的牛油果皮（AV-700）几乎不吸磷（4%），证实了其固有的低吸附能力，因为缺乏活性钙物种。相比之下，含有蛋壳的材料表现出显著改善的性能，突显了基于钙的相在磷吸收中的关键作用。
在AVES配方中，
结论
以1:2的牛油果皮与蛋壳质量比合成的AVES生物复合材料在水系统中表现出优异的磷去除性能。在批量条件下，AVES的最大吸附能力达到186 ± 12 mg Pg^-1，使其成为迄今为止报道的最有效的富钙生物基吸附剂之一。这种高性能归因于存在活性钙相，特别是氢氧化钙（Ca(OH)2）和碳酸钙（CaCO3），它们参与了溶解-沉淀过程。
CRediT作者贡献声明
罗汉·C·托塔（Rohan C. Thota）： 撰写——原始草案、方法论、数据整理。胡安·克劳迪奥·尼诺（Juan Claudio Nino）： 撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源管理、方法论、研究、概念化。罗桑杰拉·索萨尼（Rosangela Sozzani）： 撰写——原始草案、方法论、数据整理。南希·阿塞拉斯（Nancy Acelas）： 撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源管理、项目协调、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据整理、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
