研究人员开发出从受污染水体中去除磷的新方法

研究人员开发出一种低成本水凝胶，可从受污染的地表水、饮用水源或废水中过滤磷，不仅能减少磷污染，还能将磷回收用于农业和工业用途。该水凝胶除了能高效吸附和释放磷外，还能多次重复使用，经济高效具有广阔商业前景。

磷在农业肥料中十分重要，但其面临两个主要挑战：其一，用于农业和工业的磷主要来自矿产开采，这依赖有限资源并可能带来环境问题；其二，地表水中高含量的磷，源自如农业径流、废水处理厂等渠道，会造成水质恶化，例如水体富营养化，进而形成所谓的“死亡区”。

“从受污染水体中实现磷循环并不是新概念，但现有技术依赖强酸或强碱来释放已吸附的磷，”该研究论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学化学与生物分子工程的 S. Frank and Doris Culberson 杰出教授 Jan Genzer 说道。“这不仅会带来环境问题，还使得利用过滤技术回收磷的成本较高。我们已经在解决这个问题上取得了重大进展。”

研究人员开发的水凝胶由两种商用材料合成：聚乙烯亚胺（PEI）是一种廉价高分子，其分子结构使其能从水中吸附磷；另一种聚合物是聚（甲基乙烯醚-马来酸酐）共聚物（PMVEMA），能与 PEI 结合形成稳固的水凝胶结构，既允许水流通过，又保持结构完整。

实验表明，该 PEI/PMVEMA 水凝胶在室温下能高效地将受污染水中除磷，也能在室温下利用低浓度碱释放所吸附的磷。

“我们的实验表明，该水凝胶可去除废水或受污染地表水中超过90%的磷，”Genzer 说道。“我们还展示了可回收其中多达99%的磷用于重复利用。即使重复使用三次后，仍可回收97.5%的磷。”

“对比之下，目前市售的磷过滤材料去除1磅磷的成本为20至300美元，”Genzer 解释说。“我们材料的成本是23美元每磅磷（仅使用一次的情况下）。但它可以多次重复使用。如果使用两次，每磅磷的成本降至8美元；使用50次时，每磅磷的成本不到50美分。”

“我们已为该材料申请了临时专利，并正在寻找有兴趣将其用于废水处理、环境修复及农业与工业磷回收的产业合作伙伴，”Genzer 表示。

“从研究角度来看，下一个大挑战是如何利用该材料从受污染的土壤中提取磷。这比从液体中提取要复杂得多。”

该研究论文题为《功能水凝胶选择性去除水中磷酸盐并按需释放》，已发表在期刊《Langmuir》上。论文第一作者是北卡州立大学博士生Jiangfeng Xu，通讯作者之一是北卡州立大学化学与生物分子工程研究副教授 Kirill Efimenko。合作者还包括：北卡州立大学化学系教授 Christopher Gorman，材料科学与工程系 Kobe Steel 杰出教授 Yaroslava Yingling，以及研究助理 Lisa Castellano。

此项研究得到了国家科学基金会（NSF）“磷可持续性科学与技术中心（STEPS）”的资助，该中心设在北卡州立大学，资助编号为 CBET-2019435。