铁—纤维复合物高效去除水体磷酸盐的研究

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磷(Phosphorus)是现代农业和化工中广泛应用的重要资源。目前随着磷化工业的快速发展和过量施肥造成自然水体磷酸盐超标,导致水体富营养化等严重的资源环境问题。磷也是不可再生资源,如果以每年3%的需求增长率,预计在100-400年时间内将会被完全消耗掉。现阶段通过研制新型磷肥以及提高磷肥高效利用等技术来减少磷污染。然而土壤中磷依然会通过径流、下渗、农田排水等方式进入水体,因此,农田尾水等磷污染阻控和处理对于水体环境污染防控和环缓解磷资源危机有着重要意义。针对上述问题,本文提出了开发新型材料用于农业面源污染磷防控新的思路,利用纤维载体优势和铁磷较强的相互作用力,开展了基于纤维-铁复合材料的合成与除磷性能研究。主要研究内容和试验结果如下:(1)首先通过溶胶-凝胶法合成了固载羟基氧化铁(Fe OOH)的胺化腈纶纤维(PANAF-Fe OOH),并进行了水体磷酸盐的吸附性能测试。结果表明,PANAF-Fe OOH对磷酸盐的吸附有较广的p H适应范围(3-9),最适p H值为7。另外,在30 min内便可达到吸附平衡,去除效率较快。吸附动力学和等温学数据分别更适合二级动力学模型和Langmuir等温学模型,表明了其吸附过程是单分子层的化学吸附过程。最大磷吸附量通过估算得到为9.92 mg P/g。值得一提的是,在与Cl-,NO3-,CO32-以及其他阴离子共存的水溶液中仍可高效的除去磷酸盐并且可以至少重复使用五次以上。(2)制备了铁离子固载的胺化腈纶纤维(PANAF-Fe)高效净化水体磷酸盐。结果表明,PANAF-Fe对磷酸盐的吸附具有较强的p H适应性,最适p H为6。该吸附工艺将更加符合拟二级动力学模型并且在5 min后就可实现平衡吸附。通过Langmuir模型估算得到的最大吸附量是24.14 mg P/g,优于许多其他吸附剂。更重要的是,它能将实际废水的磷酸盐浓度降低至0.002 mg P/L远远低于美国环保署(USEPA)建议的地表水富营养化磷阈值(0.01 mg/L)。通过XPS研究其机理,发现PANAF-Fe对磷酸盐的吸附主要依赖于负载在纤维表面Fe3+的化学吸附。本研究制备了两种不同的铁基纤维新型吸附剂去除水体磷酸盐。结果发现PANAF-Fe作为水体除磷吸附剂更加优越,其对水体磷酸盐的最高吸附量为24.14 mg P/g且5 min即可达吸附平衡,这远远优于其它大多数除磷吸附剂。此外,它还能循环使用至少5次以上且可以将水体磷酸盐浓度降低至0.002 mg P/L,实际应用潜力巨大。综上所述,PANAF-Fe是一种优异的除磷吸附剂,具有去除效率高、去除下限低、实际应用潜力大和循环利用性好等特点。
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