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沸石新闻 | 天然沸石在多环境氨氮调控中的多功能机制研究

天然沸石如何实现NH₄⁺的跨系统捕获?

氮循环失衡与氨氮污染已成为当前水体与农业生态系统中的关键环境问题。废水排放、动物尸体渗滤液以及稻田施肥过程均可能导致NH₄⁺积累及NH₃挥发,进而引发富营养化、水体毒性增强以及大气氮损失等一系列生态风险。在此背景下,如何实现氨氮的高效固定与低成本去除成为环境治理的重要研究方向。李在仁等(2026,《Scientific Reports》,16:6327)系统评估了天然沸石在废水、动物尸体渗滤液及稻田体系中的氨氮去除行为,揭示了其在不同环境条件下对NH₄⁺的吸附动力学特征及氨挥发抑制效果。

从材料本征特性来看,天然沸石具有由SiO₄与AlO₄四面体构成的开放晶体框架,其内部存在大量规则微孔通道与笼状结构。这种结构赋予其较高比表面积与永久负电荷,使其具备优异的阳离子交换能力(CEC)。在水溶液体系中,沸石能够通过Na⁺、K⁺、Ca²⁺等可交换阳离子位点与NH₄⁺发生选择性交换,从而实现氨氮的高效捕获与固定。

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同时,沸石的吸附行为不仅依赖于离子交换,还受到孔结构扩散与表面络合作用的共同调控。其中孔与微孔结构为NH₄⁺提供了扩散路径,而表面非均一活性位点则增强了化学吸附过程,使其在复杂体系中仍保持较高的氮素去除效率。这种“物理扩散—化学吸附—离子交换”三重机制构成其高效脱氮基础。

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在环境体系应用中,沸石对氮循环的调控表现出显著差异性。在废水与合成溶液中,其对NH₄⁺-N的去除可在30 min内达到吸附平衡,最大吸附容量约为10.05 mg/g,并符合准二级动力学与Freundlich等温模型,表明其在非均质表面上以多层化学吸附为主导。而在高有机负荷的动物尸体渗滤液体系中,沸石通过增强竞争离子吸附能力,实现高达84.1%–89.3%的氨氮去除效率。

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在农业土壤系统中,天然沸石通过固定铵态氮显著降低氨挥发损失。在模拟稻田环境中,施用30 g沸石可使NH₃累积挥发量降低约46.3%。该过程主要归因于沸石对NH₄⁺的优先吸附,从而抑制其向气态NH₃的转化路径,同时提高氮在土壤体系中的滞留时间与利用效率。

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总体而言,天然沸石通过在不同环境体系中表现出的结构稳定性与多机制协同作用,实现了氨氮从液相去除到气相抑制的全链条调控。这种跨介质氮素调控能力,使其在水环境修复与农业氮管理体系中展现出重要的工程应用价值。