2026年4月，国际期刊《Journal of Cleaner Production》期刊在线发表了题为“Synthesis of eggshell-buckwheat hull biochar: Adsorption mechanisms for phosphorus, fertilizer potential, and impact on soil bacterial community”的研究性论文。该论文成功以荞麦壳和鸡蛋壳两种废弃物制备出富钙复合生物炭 BBE2:1，实现了对水体磷的高效吸附，最大吸附容量达到 404.35 mg/g，并阐明了其由钙磷沉淀、表面络合、静电吸引、离子交换和孔填充共同作用的吸附机制。同时，证明了吸附磷后的 BBE2:1-P 可作为缓释磷肥使用，能够降低磷淋失、改善土壤有效磷和微生物群落并促进作物生长，构建了“废水除磷—磷资源回收—农业再利用”的清洁生产路径。《Journal of Cleaner Production》是Elsevier旗下期刊，该期刊2025-2026最新影响因子为10.0，主要刊登清洁生产、环境可持续、资源循环利用等领域的创新研究成果，属于中科院环境科学与生态学1区(Top期刊)期刊。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2026.148257
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在本研究中，通过球磨与热解相结合的方法，以荞麦壳和蛋壳为原料，合成了一种新型富钙复合生物炭（BBE2:1）。该生物炭经过针对性设计，旨在同时解决两大问题：从水溶液中回收磷，以及作为土壤改良剂缓解磷缺乏。研究发现，BBE2:1是一种高效、低成本且环境友好的吸附材料，最大磷酸盐吸附容量达404.35 mg/g。吸附过程由物理机制（孔隙填充）和化学机制共同调控，包括静电吸引、表面络合、离子/配体交换以及沉淀作用。密度泛函理论（DFT）计算证实，CaCO3和Ca(OH)2结晶相对磷酸根离子具有特别优异的亲和性。与传统肥料相比，BBE2:1-P在30天内使磷流失量降低了约67%，表现出优异的缓释性能。该改良剂提升了土壤有效磷含量，并调控了关键酶活性，从而显著促进了卷心菜生长。研究结果为缓解植物-土壤系统中的磷相关限制提供了切实可行的解决方案。
水体中磷过量排放会引发富营养化，而农业土壤中又普遍存在磷肥利用率低、有效磷不足和磷资源浪费的问题，因此亟需一种能够同时实现废水除磷、磷资源回收和农业再利用的可持续技术。生物炭因来源广、成本低、孔隙结构发达而被广泛用于污染物吸附，但普通生物炭对磷酸盐的吸附能力有限，需要通过金属或矿物改性增强其除磷性能。鸡蛋壳富含 CaCO3，可提供钙源并促进钙磷沉淀；荞麦壳作为农业废弃物可提供碳骨架和多孔结构。基于此，作者利用鸡蛋壳和荞麦壳制备富钙复合生物炭，旨在实现水体磷的高效吸附回收，并将吸附磷后的材料作为缓释磷肥用于土壤改良和作物生长，从而构建“废弃物资源化—废水除磷—磷回收利用”的循环路径。
一种由荞麦皮和蛋壳制备的新型磷吸附剂。
BBE2:1对磷的最大吸附量为404.35 mg/g。
BBE2:1是一种经济、环保的吸附剂。
BBE2:1-P表现出优异的缓释性能，促进白菜生长。
图 1 主要证明BBE2:1 成功制备并形成了富钙多孔生物炭结构。制备流程图说明荞麦壳提供碳骨架，鸡蛋壳提供钙源，球磨和热解促进二者复合；SEM-EDS 显示材料表面负载了明显的钙基颗粒，说明鸡蛋壳来源的 Ca 成功引入；Raman、FTIR 和 XRD 进一步表明 BBE2:1 具有缺陷碳结构、含氧官能团以及 CaCO3、CaO 或 Ca(OH)2等钙相。这些结果共同说明，BBE2:1 兼具孔结构、表面官能团和钙活性位点，为后续高效吸附磷提供了物质基础。
图1. (a)BBE2:1制备工艺示意图，(b)SEM-EDS图像，(c)拉曼光谱，(d) FTIR光谱，以及(e)BB和BBE2:1的XRD衍射图谱
图 2 系统展示了BBE2:1 对磷的吸附性能及其在真实废水中的应用潜力。结果表明，荞麦壳与鸡蛋壳质量比为 2:1 时吸附效果最佳，说明碳骨架和钙源比例存在最优平衡；投加量增加可显著提高除磷率，但单位吸附量会受到位点利用率影响；pH 实验显示中性条件最有利于磷吸附，这与磷酸盐形态和材料表面电荷变化有关；共存离子实验说明 BBE2:1 具有一定抗干扰能力。真实养猪废水和固定床实验进一步证明，该材料不仅适用于模拟溶液，也具备连续流处理和实际废水除磷的应用前景。
图2. BBE2:1对磷的吸附性能：(a)荞麦与蛋壳的质量比；(b)投加量；(c)初始pH；(d)磷形态；(e)Zeta电位；(f)共存离子；(g)模拟废水与养猪场废水；(h)养猪场废水水质变化；(i)柱实验示意图；(j)BBE2:1床层柱的穿透曲线；(k)Thomas模型；(l)Yoon-Nelson模型
图3. BBE2:1对磷吸附的拟合吸附模型：(a-b)吸附动力学模型；(c-f)吸附等温线模型
图4. (a) XRD衍射图谱，(b)拉曼光谱，(c) FTIR光谱，以及(d)BBE2:1和BBE2:1-P的SEM-EDS图像
图 5 通常用于概括BBE2:1 吸附磷的整体机制。该图将材料表面的孔结构、含氧官能团和钙活性相联系起来，说明磷酸根进入体系后可通过静电吸引靠近材料表面，随后发生孔填充、离子交换、表面络合以及与 Ca2+或钙相形成 Ca-P 沉淀。该图的意义在于把前面表征和吸附实验得到的零散证据整合成一个清晰的机制模型，强调 BBE2:1 高吸附容量来源于碳骨架与钙基矿物相的协同作用。
图5. BBE2:1上磷吸附的拟议机制
图6 从理论计算角度解释不同钙相对磷酸根的结合能力。DFT 结果比较了 CaO、CaCO3和 Ca(OH)2等钙基组分与磷酸根之间的相互作用，结果表明 CaCO3和 Ca(OH)2对磷酸根具有较强结合affinity，是磷固定的重要活性相。能带结构和吸附能结果说明这些钙相具有较高反应活性，可促进磷酸根在材料表面稳定结合。该图为实验观察到的钙磷沉淀和化学吸附机制提供了理论支撑。
图6. (a) CaO、(b)Ca(OH)2和(c) CaCO3在BBE2:1上的吸附产物优化结构、静电势分析以及HOMO和LOMO能
图7.盆栽实验中卷心菜的生长情况：(a)第15天的植株生长状态，(b)第30天的植株生长状态，(c)植株形态，(d)植株长度，(e)干重与鲜重，(f)叶绿素含量，(g)卷心菜中的氮、磷、钾含量
图8.不同处理对土壤细菌群落的影响及其与卷心菜生长的相关性：(a)细菌相对丰度的PCA分析；(b)门水平；(c)属水平；(d)与碳、氮、磷代谢相关的预测酶功能（PICRUSt2分析）；(e)代表性分类单元的LEfSe系统发育树；(f)丰度差异显著分类单元（LDA > 4.0）的LDA评分；卷心菜生长指标与以下因素的相关性网络分析：(g)土壤性质及酶活性；(h)属水平细菌相对丰度。（显著性水平标注：*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001）
图9. BBE2:1的生命周期评估：(a)成本分析，(b)二氧化碳排放量评估，(c)整体环境影响评价，以及(d)生命周期评估的标准化结果
本研究探讨了通过球磨与热解联合制备的荞麦壳-蛋壳生物炭（BBE2:1）在缓解水体富营养化和解决土壤磷缺乏问题方面的潜力。研究表明，BBE2:1是一种低成本且环保的吸附剂，其最大磷酸盐吸附容量达404.35 mg/g。吸附动力学和等温线分析表明，磷在BBE2:1上的吸附遵循单层化学吸附过程，主要由静电吸引、孔隙填充、离子交换、表面络合作用及沉淀作用驱动，这一结论通过 XRD 和 XPS 表征得到证实。DFT计算进一步证实，由于CaCO3和(Ca)(OH)2相具有强结合亲和力，磷的固定作用优先发生在这些相上。动态吸附实验验证了BBE2:1从养猪废水回收磷的有效性，凸显了其实际应用潜力。此外，载磷的生物炭（BBE2:1-P）表现出有效的缓释特性，在30天内较传统肥料使累积磷淋溶量降低约67%。盆栽试验表明，使用BBE2:1-P改良土壤可提高土壤有效磷含量、调节酶活性并改变细菌群落组成，从而共同促进卷心菜生长。本研究在特定土壤类型下，于受控盆栽条件下进行了为期30天的实验。因此，观测到的土壤性质和植物生长改善效果可能受测试土壤初始物理化学特性的影响。这些研究结果强调，需要在多种土壤气候条件下开展为期更长的多季田间试验，以全面评估BBE2:1-P作为缓释磷肥的长期有效性及环境行为。
Pan. F., Wei. H., Huang, Y.L., et al. Synthesis of eggshell-buckwheat hull biochar: Adsorption mechanisms for phosphorus, fertilizer potential, and impact on soil bacterial community. Journal of Cleaner Production, 557 (2026) 148257. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2026.148257
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资料整理：胡春丹（阳光净水）
编辑：环境与能源功能材料
胡春丹（阳光净水课题组）
【资料整理】胡春丹，资源与环境专业硕士研究生，研究方向为生物基环境功能材料在水污染控制工程领域应用。发表中科院TOP期刊论文1篇，参与市科技计划项目1项，获一等学业奖学金1次。课题组主页：
https://www.x-mol.com/groups/zhuhuayue
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壳聚糖丨纤维素丨MOF材料丨石墨烯丨碳纳米管丨MXenes丨硫化钼丨催化材料丨蒸发材料丨吸附材料丨电极材料丨除磷材料丨产氢材料
2025年9月，国际TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》发表了阳光净水课题组题为“Multifunctional and sustainable chitosan-based interfacial materials for effective water evaporation, desalination, and wastewater purification: A review”的综述性论文。根据Web of Science检索，这是国际上首篇全面论述多功能和可持续壳聚糖基界面蒸发材料在废水处理和水净化中应用的综述性论文。本文总结了壳聚糖基太阳能界面蒸发器（CS-SIE）四种类型（水凝胶、气凝胶、海绵和膜）、五种改性材料和在水污染控制中应用。最后，总结了CS-SIEs在际应用中仍面临挑战。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化学改性及其在生物、环境、制药、食品等领域的工业应用，最新中科院分区：8.50/二区TOP期刊。
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2024年06月08日，国际期刊《International Journal of Biological Macromolecules》发表了阳光净水课题组题为“Sustainable chitosan-based materials as heterogeneous catalyst for application in wastewater treatment and water purification: An up-to-date review”综述论文。根据Web of Science检索，这是国际上首篇全面论述壳聚糖基异相催化剂在废水处理和水净化中应用的综述性论文。本综述概述了金属氧化物/壳聚糖基复合材料（MOs@CSbMs）、金属硫化物/壳聚糖基复合材料（MSs@CSbMs）、铋基半导体/壳聚糖基复合材料（BibSCs@CSbMs）、金属有机框架/壳聚糖基复合材料（MOFs@CSbMs）和纳米零价金属/壳聚糖基复合材料（NZVMs@CSbMs）等5种Cat@CSbMs材料的制备策略及作为助催化剂、光催化剂、类芬顿试剂在处理各类废水中的应用进展。该综述不仅加深了对环境功能材料与环境污染控制作用的理解，也为未来Cat@CSbM在污染物吸附和富集、光催化氧化降解污染物和还原金属离子等相关领域的研究提供了参考和启示。该论文自2024年6月发表以来，现已被引用53次（Web of Science），国际引用占比73%，2025年5月起入选ESI高被引论文。
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2024年 12 月 24 日，国际期刊《 Separation and Purification Technology 》发表了 阳光净水课题组 题为 “ Intriguing and boosting molybdenum sulfide (MoS2)-based materials for decontamination and purification of wastewater/seawater: An upgraded review” 综述论文。本综述全面总结了近6年（2018-）MoS2基材料（MoS2bMats）提高废水处理和水净化的有效改性策略，并重点阐述了MoS2bMats在环境污染物吸附、光催化降解和还原、Fenton高级氧化、PMS/PS活化氧化、废水脱盐（膜过滤和太阳能蒸发脱盐）等方面的应用。最后，讨论并提出了 MoS 2 bMats 理论研究与应用之间存在差距、工程挑战、未来的研究方向和机遇。 该论文自 2024 年 12 月线上发表以来，现已被引用28 次（ Web of Science ）。
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2025年 06 月 ，国际TOP期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》发表了阳光净水课题组题为 “Sustainable chitosan-based adsorbents for phosphorus recovery and removal from wastewater: A review” 最新 综述论文。本文全面综述了用于废水中磷回收和去除的壳聚糖基吸附材料（CSMats）的性质、改性方法、影响因素。同时，总结了CSMats吸附去除水体磷的主要作用机理（氢键、静电作用、路易斯酸碱相互作用、配体/离子交换和表面沉淀作用）。此外，还归纳了CSMats的再生方法、连续流处理和在实际废水中应用。 最后，讨论了 CSMats除磷材料面临的挑战和未来发展方向。《 International Journal of Biological Macromolecules 》主要聚焦于天然大分子的化学改性及其在生物、环境、制药、食品等领域的工业应用，2025年6月最新影响因子/中科院分区： 8. 50/ TOP 期刊。该论文自 2024 年1 月线上发表以来，现已被引用16 次（Web of Science ），2026年1月入选ESI高被引论文。
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2024 年 1 月，国际期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》期刊发表了阳光净水课题组题为 “A review on chitosan/metal oxide nanocomposites for applications in environmental remediation“ 的综述性论文。更清洁、更安全的环境是未来最重要的要求之一。与传统材料相比，壳聚糖具有丰富的生物相容性、生物降解性、成膜能力和亲水性，是一种更环保的功能材料。由于壳聚糖分子链上丰富的 -NH2 和 -OH 基团可以有效地与各种金属离子螯合，壳聚糖基材料作为金属氧化物纳米材料（ TiO2 、 ZnO 、 SnO2 、 Fe3O4 等）的多功能支撑基质具有巨大的潜力。近年来，许多壳聚糖 / 金属氧化物纳米材料（ CS/MONM ）作为吸附剂、光催化剂、非均相类芬顿试剂和传感器，在环境修复和监测中具有潜在和实际的应用。本综述全面分析和总结了CS/MONMs复合材料的最新进展，这将为CS/MONMs复合材料的制备和废水处理应用提供丰富而有意义的信息，并有助于研究人员更好地了解CS/MONMs复合材料在环境修复与监测中的潜力。该论文自 2024 年 1 月线上发表以来，现已被引用68 次（ Web of Science ），国际引用占比65.0%。
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2024 年 2 月，国际期刊《 Separation and Purification Technology 》发表了阳光净水课题组题为 “ A review on the progress of magnetic chitosan-based materials in water purification and solid-phase extraction of contaminants” 的综述性论文。污染物检测和水净化对于实现环境保护和资源利用非常重要。构建新型功能材料去除各种污染物也变得越来越重要和紧迫。本综述总结了磁性壳聚糖（M-CSbMs）的3种可靠制备策略（原位策略、两步策略和沉积后策略），并详细介绍了M-CSbMs在有效吸附/光催化去除污染物（如重金属离子、有机染料、抗生素和其他污染物）和磁性固相萃取超低浓度污染物等方面的研究进展。最后，提出了 M-CSbMs 目前面临的挑战和前景，以期促进其在水净化和固相萃取污染物方面的实际应用。该论文自 2024 年 2 月发表以来，现已被引用 46 次（ Web of Science ）。
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