吸附材料丨Water Research期刊丨甜菜碱修饰的镧掺杂水合铁酸盐用于将磷酸盐去除至超低浓度

2026年1月，国际期刊《Water Research》期刊在线发表了题为“Betaine-modified La-doped ferrihydrite for efficient phosphate removal to ultralow levels”的研究性论文。该论文制备了甜菜碱改性镧掺杂水合氧化铁（Bme-LaHFO），通过季铵基静电富集和界面脱水，以及 Fe/La 位点增强的内层配位，实现磷酸根“捕获-脱水-固定”的协同去除。该材料最大吸附容量达 98.6 mg P/g，在低浓度磷酸盐中 20 min 去除率达 99.0%，并能在真实污水固定床中处理 6300 个床体积后仍保持出水低于 0.1 mg P/L，具有较好的再生和工程应用潜力。《Water Research》是环境科学与水资源领域的顶级期刊，2025年公布的影响因子为12.4。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2026.125417

识别上方二维码访问论文原文

富营养化控制要求污水处理厂将磷酸盐高效去除至极低水平（<0.1 mg P/L）。然而，水合氧化铁（HFO）等常见低成本吸附剂难以满足这一要求，原因在于低磷浓度下传质效率不足，且磷酸盐的水化壳产生空间位阻，阻碍内球络合。我们通过调控表面官能团与水分子之间的界面氢键，开发了一种甜菜碱修饰的镧掺杂水合氧化铁（Bme-LaHFO）吸附剂。该方法实现了界面磷酸盐脱水，从而在低磷浓度去除方面取得了前所未有的高性能。La掺杂促进了甜菜碱在吸附剂上的修饰。甜菜碱的季铵基团（–(CH₃)₃N⁺）通过静电吸附富集磷酸盐，并通过与水分子形成氢键（–(CH₃)₃N⁺···H–O）促进磷酸盐脱水。同时，–COO⁻的给电子效应与La掺杂协同作用，优化了Fe和La位点的电子结构，降低了–OH脱附能垒，促进了稳定的La/Fe–O–P内球络合物的形成。这赋予Bme-LaHFO优异的吸附容量（98.6 mg P/g，为HFO的4.6倍）、宽pH适应性（pH 3–11）、高选择性和高再生性能（5次循环后效率>90%）。填充固定化Bme-LaHFO的流通柱有效处理了6300倍床体积的污水处理厂二级出水（进水0.6 mg P/L，出水<0.1 mg P/L），处理能力为固定化HFO的8倍。技术经济分析证明了该新材料的可行性。总体而言，本研究为设计满足严格排放要求的高效除磷吸附剂，以及去除其他含氧阴离子的高性能吸附剂提供了指导。

磷酸盐浓度过高会引发水体富营养化，即使低至约0.02 mg/L 也可能造成生态风险，因此许多地区要求污水处理厂出水磷浓度低于0.1 mg P/L。吸附法因成本较低、操作简单而受到重视，其中水合氧化铁（HFO）具有来源丰富、比表面积较高和环境相容性好等优点，但在超低浓度磷处理中存在传质效率下降、磷酸根水合壳层阻碍其接近吸附位点等问题。

磷酸根在铁氧化物表面通常先形成较弱的外层配位，再转化为更稳定的内层配位；然而，水合壳层会阻碍这种转化。因此，论文提出利用甜菜碱的永久正电季铵基富集磷酸根并促进脱水，同时借助镧（La）掺杂增强铁基位点的配位能力，从而实现“外层捕获—脱水—内层固定”的连续除磷过程，并进一步验证其在真实污水连续流处理和磷回收中的应用潜力。

• 开发了甜菜碱改性掺镧水合氧化铁(Bme-LaHFO)用于高性能磷吸附。

• Bme-LaHFO的磷容量(98.6mg P/g)是HFO的4.6倍。

• Bme-LaHFO能够将实际废水中的磷酸盐去除至< 0.1 mg P/L。

• 季铵基团富集磷酸盐并促进其脱水。

• La掺杂和甜菜碱协同增强了球内络合。

图 1. 吸附剂的制备与表征。(a) Bme-LaHFO 的合成；(b) 吸附剂与甜菜碱的 ATR- FTIR 光谱；(c) Bme-LaHFO 与 HFOme 的 XRD 图谱；(d) Bme-LaHFO 的 SEM-EDS 图像。

图 2. (a，b) LaHFOme 在贝特aine修饰前后的 Fe 2p 与 La 3d XPS 能谱；(c) HFOme 在贝特aine修饰前后的 Fe 2p XPS 能谱；(d) La(OH)₃ 与 Fe(OH)₃ 的溶度积常数 (pKsp) 及 Fe–OH 键长；(e) HFOme/LaHFOme 的羟基脱附能与羧酸盐配位吸附能的 DFT 计算结果。

图3. 吸附剂对磷酸盐的去除性能。(a)磷酸盐吸附等温线的Langmuir拟合曲线；(b)Bme-LaHFO的磷酸盐吸附容量高于其他吸附剂；(c)Bme-LaHFO的磷酸盐去除性能优于其他吸附剂（实验条件：吸附剂浓度0.5 g/L，磷酸盐浓度1 mg P/L，pH 7）；(d)在pH 3–11范围内，Bme-LaHFO的性能优于HFOme；(e)Bme-LaHFO对竞争离子存在的敏感性低于HFOme（实验条件：吸附剂浓度0.5 g/L，磷酸盐浓度25 mg P/L，硝酸根5 mg/L，硫酸根150 mg/L，氯离子80 mg/L，硅酸盐20 mg/L，碳酸氢根50 mg/L，腐殖酸5 mg/L）；(f)Bme-LaHFO与HFOme在5次循环中的重复使用性能。

图 4. (a) 基于 Bme-LaHFO 与 LaHFOme 的磷酸盐吸附数据拟合的拟一级动力学模型；(b) 基于 Bme-LaHFO 与 LaHFOme 的磷酸盐吸附数据拟合的拟二级动力学模型。

图 5. (a，d) Bme-LaHFO 与 LaHFOme 的磷酸盐吸附过程原位 ATR- FTIR 光谱；(b，e) Bme-LaHFO 与 LaHFOme 特征红外谱带峰强度的变化率；(c，f) Bme-LaHFO 与 LaHFOme 经磷酸盐吸附后的 P 2p XPS 能谱。

图 6. (a) 界面水的 ATR- FTIR 光谱；(b，c) LaHFOme 与 Bme-LaHFO 在磷酸盐吸附前后的 Fe 2p 与 La 3d XPS 光谱；(d) Bme-LaHFO 上 Fe 与 La 的 Bader 电荷分布（经甜菜碱修饰前与后）。

方案1：HFOme与Bme-LaHFO上磷酸盐吸附的拟议反应机理

图 7. Bme-LaHFO 在流穿式三级处理工况下的性能评估。(a) 固定床柱装置示意图；(b) WWTP 工艺二级出水中的磷酸盐去除率曲线；(c) 第一固定床柱再生循环中固定化 Bme-LaHFO 的磷酸盐解吸浓度与回收率。

日益严格的法规要求污水处理厂出水中的磷浓度达到超低水平（< 0.1 mg P/L），以缓解受纳地表水体的富营养化。本研究证明，甜菜碱修饰的镧掺杂水合氧化铁（Bme-LaHFO）是一种能够达成这一关键目标的高性能吸附剂，其吸附容量高达 98.6 mg P/g，为原始 HFO 的 4.6 倍。Bme-LaHFO 还具有宽泛的 pH 适应性（pH 3–11）、高选择性以及优异的再生性能（5 次循环后效率仍 > 90%）。在真实的连续流条件下，我们展示了其出色的除磷性能和巨大的磷回收潜力。我们的镧掺杂策略实现了甜菜碱的稳定锚定：甜菜碱的季铵盐基团通过静电作用富集磷酸根，并促进其水化壳的解体；同时，甜菜碱的羧基与镧协同作用，增强了磷酸根与金属位点之间双核双齿内球配合物的形成。这种"增强静电捕获 – 脱水 – 强化内球配位"的阶梯式机理，为实现低浓度磷去除及其后续回收提供了一种高效、稳定且环境友好的策略。我们的固定床柱实验和成本分析表明，该方法有望推动市政污水处理过程中磷资源的闭环管理。

Wang, X.H., Li, X., Zhou, B.X., et al. Betaine-modified La-doped ferrihydrite for efficient phosphate removal to ultralow levels. Water Research, 293 (2026) 125417. https://doi.org/10.1016/j.watres.2026.125417

识别上方二维码访问论文原文

撰稿：胡春丹

编辑：环境与能源功能材料

审核：朱华跃

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，2026年1月入选ESI高被引论文，参与市科技计划项目1项，获一等学业奖学金1次。

阳光净水课题组主要长期致力于生物质（壳聚糖、纤维素等）可再生资源在水污染控制、太阳能界面蒸发及环境催化等领域的基础与应用研究。课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/zhuhuayue

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。

识别上方二维码查看全文

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62次（Web of Science），国际引用占比73%，2025年5月起入选ESI高被引论文。

识别上方二维码查看全文

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37 次（ Web of Science ）。

识别上方二维码查看全文

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79 次（ Web of Science ），国际引用占比65.0%。

识别上方二维码查看全文

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 51 次（ Web of Science ）。

识别上方二维码查看全文

声明： 1 、环境与能源功能材料公众号分享国际生物质（壳聚糖、纤维素、木质素、海藻酸等）功能材料、太阳能蒸发材料、新型吸附材料、碳基（石墨烯、碳纳米管、碳量子点、生物炭、富勒烯等）材料、 MOFs/HOFs/COFs 材料、光催化材料、 Fenton 材料、产氢材料等相关前沿学术成果，以及其它相关数据处理方法、论文写作和论文投稿等信息，无商业用途。2、本公众号尊重原创和知识产权人的合法权利。如涉及侵权，请立刻联系公众号后台或发送邮件，我们将及时修改或删除。3 、部分图片和资源来源网络或转摘其它公众号！凡注明 " 来源： xxx （非本公众号） " 的作品，均转载自其它媒体，转载目的在于传递更多信息，并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责，且不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。 4 、外文文献翻译目的在于传递更多国际相关领域信息。外文文献由课题组研究生翻译，因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大家批评指正。 5 、欢迎环境与能源材料相关研究成果提供稿件，环境与能源功能材料公众号将会及时推送。联系邮箱：EEmaterials@163.com ； 联系微信号： LeoChuk 。