Phoslock®锁磷剂工程应用二十周年特辑——文献解读（7）

Phoslock^®锁磷剂自2000s首次参与工程应用以来，一直受到国内外广大科研工作者及水环境工作者的关注，并在国内外学术期刊发表了逾百篇学术论文。目前学者们对该技术产品的研究已经涉及除磷效果、沉积物修复、影响因素、生态安全、深度开发等多个领域。

2022年，在该技术产品全球应用20周年之际，PET中国团队将针对热点关注话题，甄选文献加以解读分享，以便于广大科研工作者和水环境工作者深入了解Phoslock^®锁磷剂的学术背景及差异化特性。

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本期针对Phoslock^®锁磷剂在原位修复中的控磷机理，向大家分享文献如下：

文章题目：

惰性层：应用镧改性膨润土（Phoslock^®锁磷剂）钝化沉积物磷的关键

发表期刊：Chemical Engineering Journal

2021年影响因子/JCR分区：13.273 /Q1

文献链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894717307805?via%3Dihub

研究亮点：

一、首次通过高分辨率技术分析来表征应用Phoslock^®锁磷剂进行沉积物修复过程中磷的变化；

二、间隙水中的活性磷和弱吸附态磷含量随着Phoslock^®锁磷剂钝化层覆盖时间的延长而降低；

三、应用Phoslock^®锁磷剂20天后，表层沉积物形成磷浓度极低的惰性层。表层10mm惰性层的磷去除率在第45天达到95%，钝化效果理想。

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研究背景：

沉积物磷的释放，被认为是诱发水体富营养化和导致藻类水华的关键因素。因此，开发有效控制内源磷释放方法的需求迫切。地质工程技术是一种很有前景的控磷技术，其原理是通过鏊合、钝化来控制沉积物中磷的释放。

目前有数类材料应用于沉积物控磷，其中澳大利亚联邦科学与工业研究组织研发的Phoslock^®锁磷剂取得了杰出的效果。

以往的研究表明，间隙水中溶解性活性磷和弱吸附态磷的浓度存在明显的时空异质性。本文通过高分辨透析技术和扩散梯度薄膜方法研究应用Phoslock^®锁磷剂后间隙水中溶解性活性磷和弱吸附态磷的空间变化。

研究对象：

沉积物样品取自南淝河入巢湖的入湖口，经0.6mm的筛网筛分后混匀装填到管内形成15cm的泥柱。将过滤后的上覆水缓慢注入管中，形成12cm厚的水层。再在25℃的水浴锅中存放两个月，样品准备完成。Phoslock^®锁磷剂的投加倍比设定为200:1 (Phoslock/可释放磷)，取样监测时间设定为10,20,30,45,60,80和110天。

图1 DGT方法的理论示意图和装置结构

主要结论：

1、水柱中溶解性活性磷的变化

对照组水柱中溶解性活性磷的本底值为0.90mg/L，实验组水柱中的溶解性活性磷在第10天降至0.005mg/L。然而在实验后期该数值有所回升，在第80天和第110天的测试中上升至0.021 mg/L（可能与底部厌氧环境有关），经计算实验组溶解性活性磷的平均去除率为98.64%。

图2 水柱中SRP的变化过程

2、沉积物中磷形态变化

应用Phoslock^®锁磷剂前，沉积物中磷主要的组分为易释放的铁结合态磷（BD-P）和有机态磷（NaOH-nrP），占总磷含量的86%。可释放磷（Pmob）含量为1.39mg/g，占总磷的54%。应用后铁结合态从55%降至24%，有机态磷从31%降至21%。而稳定不易释放的钙结合态磷（HCl-P）和残渣磷（Res-P）的比例分别从4.9%和1.8%增加到46%和3.2%。沉积物表层15mm可释放磷从占总磷的60%降至30%。

图3 应用Phoslock^®锁磷剂后沉积物P形态的变化过程

3、孔隙水中溶解性活性磷和弱吸附态磷浓度的变化

应用Phoslock^®锁磷剂前，从泥水界面至沉积物35mm到36mm深处，溶解性活性磷和弱吸附态磷的浓度显著递增，然后该数值小幅浮动直到沉积物底部。应用Phoslock^®锁磷剂后，溶解性活性磷和弱吸附态磷的浓度随钝化层覆盖时间的延长而下降。

图4 应用Phoslock^®锁磷剂后沉积物不同深度溶解性活性磷和弱吸附态磷随时间的浓度变化过程

二维DGT与上述结果表现出相同的趋势：

图5 应用Phoslock^®锁磷剂后上覆水-沉积物剖面中弱吸附态磷浓度的二维变化过程

研究结论：

1、应用Phoslock^®锁磷剂后，沉积物表层30mm中的磷发生了从弱结合态磷到镧结合态磷的转变。

2、应用Phoslock^®锁磷剂后，水柱中的溶解性活性磷在实验开展后的第110天稳定在0.02mg/L，同时，溶解性活性磷和弱吸附态磷的浓度随钝化层覆盖时间的延长而下降。

3、实验开展后的第20天，间隙水溶解性活性磷和弱吸附态磷浓度在沉积物垂直分布上出现明显的分层现象，这意味着在沉积物表面形成了一个惰性层（其下方是活性层），惰性层中的溶解性活性磷和弱吸附态磷浓度随时间持续下降，并在第45天达到稳定，此时，惰性层的厚度为10mm。形成一定厚度（本研究中为10 mm）的惰性层是维持Phoslock^®锁磷剂钝化效率的关键。

图6 Phoslock®锁磷剂沉积物钝化过程图解

编外语：

1、本研究在实验室模拟了自然水体中沉积物泥水界面，并用Phoslock^®锁磷剂进行了沉积物修复实验，揭示了Phoslock^®锁磷剂控制沉积物中磷释放的机理，并提出了“惰性层”对沉积物钝化的关键作用。

2、Phoslock^®锁磷剂在控制沉积物磷释放方面的工程应用案例丰富，且均取得了良好效果，为今后的研究和应用提供了诸多借鉴。

更多内容后续我们会一一分享，敬请期待