复合纳米吸附剂的制备及污水磷回收性能

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磷是生物体生命活动和人类社会正常运转所不可或缺的元素,但磷污染也成为现代社会比较严重的问题,开发良好的含磷废水去除和回收技术对于可持续发展有着重要意义。本研究以磷回收的吸附法为研究对象,主要做了两项工作:1、以海藻酸盐交联的水凝胶作为载体(ALG),负载纳米水合氧化锆(HZO)制备了水合氧化锆/海藻酸锶复合凝胶珠(Zr A)新型的除磷吸附剂,用来对污水中的磷进行吸附和回收。2、鉴于以往采用金属氧化物或水合氧化物吸附回收磷的研究中实验条件原料各不相同,缺乏全面客观的几种常见的金属氧化物或水合氧化物吸附回收磷的性能对比。本文在以竹炭制备的生物炭(BC)上分别负载铝、锆、铁、镧的水合氧化物和镁的氧化物(统称BC-X,其中X为负载于BC上金属水合氧化物或氧化物的中心金属元素符号),在同一研究层面上对比BC-X中各吸附剂对含磷废水的吸附性能及应用条件,具体内容和结论如下:(1)将海藻酸盐和HZO混合,通过交联反应成功制备了Zr A,对制备的原料的选择和配比进行优化。对Zr A和HZO进行了一系列的表征。制备的过程中,只Sr2+盐溶液交联剂中交联形成的Zr A在强碱性解吸液中稳定,机理分析表明,Zr A的耐碱性与制备它的交联剂金属的氢氧化物的溶度积大小有关。(2)进行Zr A和HZO对水中体磷的吸附实验,评价它们的吸附性能、水中腐殖酸对它们吸附性能的影响、分离难易度等。Zr A对水中磷的吸附等温线符合Langmuir式,最大吸附容量为52.5mg-P/g。相比HZO,Zr A具有凝胶大分子互穿交联结构,使吸附剂易与水分离,有利于回收,且保护HZO颗粒免受水中腐殖酸等大分子对其吸附磷的抑制作用。进行Zr A对磷的吸附-重复使用性能评价,重复使用5次吸附性能下降不显著,说明Zr A可以实现重复使用,另一方面也实现了水中磷的再次回收。经济可行性分析证明:Zr A具备应用可行性。(3)用沉淀法将铝、锆、铁、镧的水合氧化物和镁的氧化物分别负载到BC上,成功制备了BC-X,对比了不同p H,共存阴离子、腐殖酸大分子、高浓度磷下BC-X中吸附剂对磷的吸附回收性能影响,对比了吸附剂的耐热性和金属离子溶出性,并分析了成本。在p H=10时,由于所有吸附剂的吸附性能均下降,BC-Mg会在中性和酸性中溶出较多Mg2+。BC-Fe和BC-La、BC-Zr对磷的吸附选择性较强。这几种金属氧化物或水合氧化物吸附水中污染物的应用中,其吸附性能有较大的可能会受水体中大分子所抑制,因此,需将金属水合氧化物和氧化物负载到对其具有保护作用的大分子结构的载体上。BC-La对高温的抗性较大,因为La与PO43-结合力较强,可生成稳定的La PO4复合物。BC-Al、BC-Fe、BC-Mg较其他吸附剂更适合处理高磷浓度的废水。对BC-X中的金属氧化物或水合氧化物进行成本分析,Fe基氧化物或水合氧化物成本最低。通过系列分析得到结论:在高浓度磷(100mg-Pmg/L)下最适宜用Fe基氧化物或水合氧化物作为磷吸附剂;在低浓度磷(10mg-P/L)下,最适宜用La基氧化物或水合氧化物作为磷吸附剂。(4)这两项工作研究了载体对金属水合氧化物的正负面作用,丰富了磷在复合吸附材料表面的吸附机制,对比了常见的吸附剂的性能。第一项工作为废水除磷领域提供了一种可新型的、成低廉、操作简单、环境友好的吸附剂。第二项工作为水体除磷吸附法中吸附剂的选择和优化、技术应用等方面提供新思路和有力的信息支撑。
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