QCM-D原位揭示碳酸根助力机制实现喀斯特高碳酸盐水体高效除磷
2026-01-21 来源:本站 点击次数:116
北京师范大学方齐乐团队 Sep. Purif. Technol.：QCM-D 原位揭示碳酸根“助攻”机制，La₂O₂CO₃ 实现喀斯特高碳酸盐水体高效除磷
——一篇写给“膜”与“晶体”爱好者的除磷故事
研究背景 | 喀斯特的“磷”烦恼
“水至清则无鱼”，但水太“富”同样无鱼——磷污染正是让南方喀斯特河流、湖泊“富”起来的头号推手。
喀斯特地区地表-地下水交换迅速，碳酸盐岩风化导致水体中 HCO₃⁻/CO₃²⁻ 高达 5–10 mM；
传统镧系吸附剂（La₂O₃、La(OH)₃、La₂(CO₃)₃）在此环境下因“碳酸根竞争”与 pH 飙升而集体失灵，除磷效率断崖式下跌（最高抑制 94%）；
现有研究多停留在“碳酸根=抑制剂”的定性阶段，缺少原位、实时、界面尺度的动态证据，更谈不上“化敌为友”。
于是，问题聚焦：
能否找到一种“不惧碳酸根”的镧材料？
能否用高分辨界面技术把碳酸根的“破坏轨迹”拍成“高清纪录片”？
北京师范大学方齐乐团队近期在以“Robust phosphate removal by La₂O₂CO₃ in karst waters: Unraveling the promoting role of carbonate through in-situ analysis and theoretical calculation”为题发表在《Separation and Purification Technology》的研究中把镜头对准了——La₂O₂CO₃，并请来主角——QCM-D。
研究方法 | 把“称量”做到极致：QCM-D 原位追踪纳克级质量与纳牛级耗散
实验设计一句话：
“四兄弟”比一比（La₂O₃、La(OH)₃、La₂(CO₃)₃、La₂O₂CO₃），看谁在碳酸根“围殴”下依旧能把 PO₄³⁻ 按在地上摩擦。
关键技术一览：
| 技术 | 用途 | 关键参数 |
| QCM-D（Biolin Scientific Q-Sense Analyser，Au 传感器） | 实时记录质量（Δf）与粘弹性（ΔD）演变 | 第 3 谐波，5 MHz，溶液 pH 10.5，碳酸盐 5 mM，磷 80 mg P L⁻¹ |
| 同步批实验 | 宏观吸附容量、Zeta 电位、竞争离子效应 | 0.5 g L⁻¹，25 °C，24 h |
| DFT(VASP-PBE) | 计算吸附能、电荷密度差、态密度 | 450 eV 截断能，2×2×1 k 网格，La₂O₂CO₃ (103) 面 |
| 材料表征 | SEM、XRD、BET、XPS、FTIR、UV-Vis DRS | 追踪晶型、孔道、La 电子密度、C–O 配位状态 |
QCM-D 样品制备小贴士：
3 μL 乙醇分散液滴加在 Au 晶片“内环”，红外 1 min 快干，保证膜层厚度 < 200 nm，避免“质量-耗散”耦合失真。
实验结果与分析 | 一条曲线看懂“碳酸根如何反杀”
宏观现象：只有 La₂O₂CO₃“抗揍”
- 无碳酸根：四兄弟吸附量 66–91 mg P g⁻¹，差距不大；
- 加 5 mM CO₃²⁻：La(OH)₃、La₂(CO₃)₃ 直接“扑街”，容量跌 90%+；La₂O₃ 跌 25%；
- La₂O₂CO₃：纹丝不动，容量保持 67 mg P g⁻¹，除磷率仍 > 99%。
QCM-D 高清纪录片
图1 QCM-D 实时曲线
- 单磷酸 pH 10.5：Δf 仅轻微下降 → 碱性抑制属实；
- 磷酸+碳酸根：Δf 先陡降（碳酸根快速占位），随后继续下探（磷酸“补位”），总质量增加提升 42%；
- K₁ = –0.84（碳酸根刚性吸附）
- K₂ = –0.39（磷酸进入，层结构松弛）
- K₃ = –0.24（致密复合层形成）
原子尺度证据 | DFT 算出“电子被偷走”
- 裸 La₂O₂CO₃ 表面磷酸吸附能 –164.8 kJ mol⁻¹；
- 预吸附碳酸根（单齿单核 MM）后，磷酸吸附能暴增至 –311.1 kJ mol⁻¹；
- 电荷密度差显示：La 5d 轨道电子向 CO₃²⁻ 反键 π* 轨道转移，La 位点“缺电子”→更易与 PO₄³⁻ 形成 La–O–P 内球络合；
- 带隙由 3.28 eV 缩至 2.99 eV，与紫外可见光谱一致——“电子转移-能带调控-吸附强化”闭环完成。
喀斯特实战 | 连续 10 次过滤，出水 P < 0.02 mg L⁻¹
模拟岩溶地下水（8 mg P L⁻¹ + 5 mM CO₃²⁻），La₂O₂CO₃ 装柱：
- 10 轮穿透实验：去除率始终 > 99.7%，出水低于藻类爆发阈值（0.02 mg P L⁻¹）；
- La 溶出仅 3.5 μg L⁻¹，远低于 WHO 饮用水指导值（10 μg L⁻¹）；
- 1 M NaOH + 2 M Na₂CO₃ 再生：5 次循环容量零衰减，真正“越用越勇”。
结论与展望 | 把“碳酸根”变成“助推器”
- 首次提出并验证“碳酸根助攻”机制：La₂O₂CO₃ 表面优先吸附 CO₃²⁻→诱导 La 电子缺失→磷酸吸附能翻倍；
- QCM-D 以纳克-纳牛级灵敏度，给出界面竞争-协同的“动态影像”，为类似“高背景阴离子”水体除磷提供范式；
- La₂O₂CO₃ 具备在高碳酸盐水体中“即插即用”潜力，可耦合 PRB（可渗透反应墙）、磁性流化床或膜分离，打造“零溶出、长寿命、免维护”喀斯特专用除磷模块；
- 下一步：
- 放大制备——MOF 前驱体喷雾干燥公斤级粉末；
- 过程强化——制备 La₂O₂CO₃/陶瓷膜复合层，实现“分离-吸附”一体化；
- 智慧运维——将 QCM-D 在线探头嵌入出水口，以 ΔD/Δf 比值作为“磷酸穿透”早期预警，比色法节省 50% 药剂。
基金支持
珠海基础与应用基础研究基金 ZH22017003210025PWC
广东省普通高校重点领域专项 2022ZDZX4064
国家自然科学基金 22276171
北京师范大学珠海校区交叉智能超算中心算力赞助
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.seppur.2026.136839
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