《吸附劑的合成與其固定土壤中磷的機理研究》是依託蘇州科技大學，由徐楠擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：吸附劑的合成與其固定土壤中磷的機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：徐楠
- 依託單位：蘇州科技大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
目前全國單位播種面積化肥施用量已超過350kg/hm2，遠遠超過國際上設定的225kg/hm2的化肥施用安全上限。過量的施肥造成農產品和環境污染嚴重。全國每年癌症發病人數約200萬，一定程度上與農產品污染超標有關。磷肥在農田的過量施用及污染較為嚴重。本項目通過合成吸附劑（碳酸鹽礦物質），把土壤中的有可能被澆灌水及雨水流失的可溶性磷吸附固定在土壤中，有效減少農田磷淋失引起的農業非點源污染；同時轉化的生成物不用進行再次的污染治理而轉化成可被植物吸收利用的有效磷，這樣在提高磷肥利用效率的同時減少對環境的污染。通過多種碳酸鹽礦物質對磷吸附、解吸機理的研究，並運用光譜分析、量子化學手段以及計算機CDMUSIC模型來模擬並預測在土壤中加入碳酸鹽礦物質多年後，自然系統中磷在土壤、地下水和地表徑流的遷移轉化和植物對土壤有效磷的累積利用率。
結題摘要
本項目在國家自然科學基金青年項目（21107077）的資助下，通過研究土壤中磷在碳酸鹽礦物（方解石和白雲石）表面上的吸附機理等環境化學行為，結合Zeta電位、X射線螢光衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡（ SEM）、傅立葉變換紅外（FTIR）、X射線吸收近邊結構（XANES）對吸附固-液界面形成絡合物的分子結構進行探測和量子化學的深入研究。套用固-液界面吸附絡合模型的一種擴散模型（DLM）的擬合數據表明，當pH≥8時，磷酸鹽（P≤2 mg/L）在方解石表面主要形成吸附絡合物=CaPO4Ca0/=sCaPO4Ca0；在白雲石表面=Mg位點主要形成吸附絡合物=MgHPO4Ca+。套用XRD、FTIR、XANES分析，當磷濃度高於2 mg/L時，則是以生成磷酸鈣化合物(Ca-P)晶核為主，包括羥基磷灰石（HAP），不定型磷酸鈣（ACP），磷酸氫鈣（DCP），二水磷酸氫鈣（DCPD）等。在白雲石表面除了形成Ca-P以外，還會形成磷酸氫鎂(MgHPO4)晶核。並且對於pH≥8.0下的高濃度磷，白雲石都要比方解石有著更高的固定性能，因此在自然土壤中，更多的磷容易富集在白雲石表面。實驗結果發現，白雲石結構中的鎂元素提供了吸附位點是促進高濃度的磷在其表面固定的主要機理。而Mg(II)對磷酸鹽在方解石表面固定起著重要作用，在pH<8.0，土壤中Mg(II)會抑制方解石表面對磷酸鹽的固定；pH>8.0時，土壤中Mg(II)會促進方解石對磷酸鹽的固定，這可能的機制是，高鹼度有助於Mg-P相的形成，這是由於Mg的吸附能夠為磷酸鹽在方解石表面提供了很多=Mg和-OH官能團的吸附位點。因此，考慮Mg(II)/Ca(II) 離子和磷酸鹽的相互作用是很有必要的。最後採用生物礦化法仿生合成吸附率高、固定效果好的碳酸鹽系列礦物材料。同時通過運用XRD、SEM、FTIR、XANES等光譜分析了這些材料吸附高磷的機理以及表面可能的分子構建信息。金屬元素(如Mg)的摻雜將促進文石或者球霰石碳酸鈣礦物材料對磷酸鹽的吸附能力，具有以下規律：無定形碳酸鈣鎂＞摻鎂文石＞文石＞白雲石＞方解石。其主要機理是能夠在材料表面形成中間態DCPD/DCP 晶相。因此這項研究結果具有實際的環境意義，有助於解釋可溶性磷酸鹽的遷移以及在過量P肥施用土壤中P的固定，並且開拓了碳酸鹽礦物材料在環境中的實際套用。
