科技创新

第一作者：罗清月

通讯作者：宋永会 魏健

通讯单位：中国环境科学研究院

论文DOI：10.1021/acs.est.5c17009

一、文章导读

内源污染是湖泊富营养化与藻华频发的关键诱因。在浅水湖泊中，内源磷释放对总磷通量的贡献率可高达60%~80%，已成为制约水环境质量改善的核心瓶颈。镧基钝化剂（LBPs）凭借优异的磷亲和力与稳定的LaPO4沉淀机制，被视为原位控磷的有效手段。然而，当前研究多局限于实验室纯水体系，所得高吸附容量数据难以反映材料在真实富营养化水体中的实际表现，导致大量实验室成果难以有效转化为工程应用。

本综述系统梳理了LBPs在材料设计与固磷机制方面的研究进展，从宏观吸附行为、微观界面作用、理论计算到工程案例进行了多维度评述，以“Lanthanum-Based Passivators for Aquatic Phosphorus Control: Bridging the Gap from Material Design to Field Implementation”为题在 Environmental Science & Technology 发表。

二、文章亮点

1. 系统综述了LBPs的材料类型及其设计策略。

2. 从宏观、微观及理论计算多尺度阐释了LBPs的固磷机制。

3. 分析了LBPs在实际水体中的除磷效能，解析了DOM及竞争阴离子的干扰。

4. 评估了材料的长期稳定性及对水生生态系统的潜在影响。

5. 基于不同应用场景的生命周期差异，提出了针对性的管理策略。

三、主要内容

1. 无机磷的相变沉淀与有机磷的催化水解机制

LBPs对无机磷的固定涉及静电吸引、配体交换与表面沉淀等步骤，最终以LaPO4相变沉淀的形式实现磷的永久封存。对于有机磷，部分LBPs可通过Lewis酸催化作用水解P-O-C键，释放的无机磷随即被原位沉淀，形成“吸附-催化水解-沉淀”的连续过程。

图1. 镧基钝化剂对无机磷与有机磷的多尺度钝化机制。

2. LBPs在水体中的实际工作容量与实验室性能的差距

LBPs的吸附容量通常在实验室纯水体系中测得，但实际富营养化水体的磷浓度仅为μg/L级别，传质驱动力大幅降低。同时，水中广泛存在的溶解性有机质与竞争阴离子会与La3+竞争活性位点。上述因素共同导致LBPs的工作容量（Qactual）仅为饱和吸附容量（Qmax）的1~20%。因此，材料评价应聚焦于低磷浓度条件下的实际净化能力，而非单纯追求吸附容量上限。

图2. 实验室理想条件与真实水体中LBP实际吸附容量的定量对比。

3. 天然水体条件对固磷效能的影响机制

天然水体中的CO32-等竞争阴离子可与La3+优先结合，削弱LBPs对磷酸根的吸附。溶解性有机质分子也能与磷酸根竞争La3+活性位点，其吸附于材料表面后还会引起界面双电层空间重排，产生的位阻效应会降低La—P键的稳定性。此外，在长期缺氧条件下，DOM介导的铁还原溶解可诱发内源磷的同步释放，可能抵消LBPs初期的固磷效果。

4. LBPs对水生生态系统的安全性评估