水体富营养化是全球性的重大环境问题，磷(P)往往是水体富营养化的关键因子。除了外源磷的持续输入外，天然水体底泥中内源磷的持续释放也是富营养化水体久治难愈的重要原因。向富营养化水体中投加锁磷剂是一种简单、方便且行之有效的内源磷控制手段。当前应用最广泛的商业锁磷剂是澳大利亚CISRO开发的镧(La)改性膨润土(Lanthanum modified bentonite, LMB)，其可与磷反应生成稳定态磷酸镧矿物(LaPO4·xH2O)，该产物不再参与自然界磷循环。这一基于La-P反应的锁磷策略也是目前公认最为有效的磷固定化手段。实际工程应用时，LMB还面临诸多应用挑战，如锁磷容量偏低(~10 mg P/g)、易受碳酸根/碳酸氢根和有机质影响、难以去除正磷酸盐外的其他形态磷等。
针对上述问题，在课题组前期关于纳米限域效应调控La-P反应研究(Environ. Sci. Technol. 2021, 55, 665)的启发下，我们成功制备出系列Mg/Fe层状双金属氧化物基(LDHs)载镧复合纳米锁磷剂(L-CMF-x)，实现了镧氧化物纳米颗粒在载体Mg/Fe LDHs层间纳米空间的稳定固载。构效优化后的锁磷剂L-CMF-1.0在低平衡浓度(0.1 mg P/L)下的锁磷容量相比LMB有3-5倍的提高，且可同步去除多种形态的有机磷。出乎意料的，共存腐殖质和碳酸氢根不仅没有抑制L-CMF-1.0的除磷性能，反而表现出了明显的促进作用，这与LMB的除磷行为显著不同。经过初步验证，我们认为，LDHs的纳米限域层状空间可通过尺寸排阻效应阻止腐殖质等大分子干扰物的进入，且碳酸氢根可作为LDHs插层柱撑阴离子(pillar anions)适度支撑与拓展限域反应空间，从而促进纳米LaPO4·xH2O晶体的生长。在连续50天的模拟湖水锁磷实验中，L-CMF-1.0表现出了显著高于LMB的除磷性能和锁磷稳定性，且初步评估其处理成本也低于LMB。本研究可为新型锁磷剂的开发和应用提供新思路。
研究成果以“Phosphorus binding by lanthanum modified pyroaurite-like clay: Performance and mechanisms”为题，在线发表于ACS ES&T Engineering (10.1021/acsestengg.1c00218)。论文第一作者为张延扬副研究员，通讯作者为团队PI潘丙才教授，硕士研究生孔波、申朝阳、钱杰书教授等为共同作者。本研究得到了国家杰出青年科学基金项目的资助。
图 1.复合纳米锁磷剂强化锁磷过程示意图