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本文在系统地分析总结国内外防治水体富营养化的关键除磷控磷技术研究与发展的基础上,以氧化铝工业生产过程中排放的赤泥废矿渣为原料,采用不同简单的物理化学方法进行活化改性处理,制备了活化赤泥吸附剂并研究探讨了活化过程中影响除磷性能的各种因素。开展了活化改性赤泥对含磷废水、以及活化赤泥掺混土壤的静、动态吸附除磷控磷试验研究,详细考察了影响除磷反应的因素,探讨了活化赤泥吸附除磷机制,研究成果具有重要科学意义和实际应用价值,取得如下创新性研究成果:
1.以铝工业碱性赤泥废矿渣作为吸附剂制备原料,通过简单活化改性处理,成功制备了具有高吸附除磷性能的活化赤泥吸附剂,为铝工业废渣提供了新的利用途径,并为水体富营养化防治和面源污染控制提供经济高效的除磷新技术。
2.研究探讨了不同活化处理方法和条件对活化赤泥除磷效能的影响,结果表明,经焙烧以及热酸处理后的赤泥除磷能力增加。优化的焙烧活化条件为700℃焙烧2 h;热酸活化优化条件为用0.25 mol/L HCl、在80℃下将赤泥酸化1 h。
3.活化赤泥具有良好除磷效果,在pH为7,初始磷浓度为5 mg/L时,焙烧赤泥和热酸赤泥除磷率分别是99.7%和86.2%。焙烧赤泥和热酸赤泥对磷的饱和吸附量分别达到51.21 mg/g和35.91 mg/g。活化赤泥除磷效率随pH升高而增大。活化赤泥除磷效率随温度升高而降低,水中钙离子可明显增加除磷能力且除磷后的赤泥不易解吸磷。
4.活化改性前、后赤泥表征结果表明,焙烧后赤泥中游离及络合态铁、铝氧化物含量明显增加,同时微孔孔隙、比表面积增大。热酸赤泥则是络合态铁、铝氧化物含量增加,并通过热酸洗脱去掉了附着在赤泥表面的杂质,比表面积增大,提供更多的有效吸附位增加除磷能力。
5.活化赤泥吸附除磷机制研究表明,沉淀及表面络合在活化赤泥除磷过程中起到重要作用,活化赤泥表面的正电荷阳离子Ca2+、Fe3+、Al3+与水中的磷酸根阴离子发生吸附沉淀及络合反应。
6.土壤中掺混活化赤泥控磷研究表明,土壤掺混焙烧赤泥吸附控磷能力在中性pH条件下最佳。活化赤泥掺混土壤的比例为2.5%时就能达到很好的控磷效果,过高掺混比例会使土壤pH值升高。研究还发现,磷的赋存形态在赤泥掺混土柱中分层变化明显,且活化赤泥能有效截留吸附在土壤中的磷并将其转化为惰性磷。