新型Fe负载陶粒吸附除磷研究

【摘要】近年来，水体富营养化问题日益严重，成为国内外亟待解决的环境问题之一。其中，磷是造成水体富营养化的主导因素，因此，有效控制水体的磷成为解决全球水体富营养化问题的关键。去除污水中磷的方法有多种，其中吸附法由于成本低廉、操作简单、处理效率高、无二次污染等优点而备受国内外学者的关注。吸附除磷常用的材料主要包括天然及合成的吸附剂，如沸石、钢渣、粉煤灰等，这些材料适用范围较小且价格昂贵而不利于实际应用。此外，大多吸附剂为粉末状，使用不便且不易回收。本文以蒙脱石、白云石为骨架材料，以FeSO4·7H2O为改性剂，以可溶性淀粉为成孔剂，利用混料设计方法优化材料，确定四种原料的最佳配比，得到最终试验用陶粒，将其制成球形和柱状两种形状，应用于人工合成的含磷废水中，探讨其在静态和动态运行条件下的吸附除磷性能。本研究首先对球形陶粒在静态试验条件下的吸附除磷性能进行了研究，分别探讨了反应温度、反应时间、溶液pH值对材料吸附除磷效果的影响。根据混料设计法得出材料的最佳配比为：每10g混料中添加3.8777g白云石，2.9955g淀粉，2.1269g蒙脱石，1gFeSO4·7H2O。球形陶粒静态吸附除磷实验数据符合伪二级动力学模型和Langmuir吸附等温模型，说明在固液两相界面发生了单分子层吸附。通过研究吸附除磷的热力学可知材料静态吸附除磷过程为自发进行的放热过程。球形陶粒在pH为2.8~12的范围内均保持较高的吸附去除率（约100%），这说明本试验所用材料具备很广的pH适用范围。一般实际污水均为流动状态，为了研究材料在动态条件下的吸附除磷效果，本研究按照优化配比制备而成柱状陶粒并将其投入动态含磷废水中，利用吸附柱试验探讨了柱高（吸附剂量）、进水初始磷浓度、共存离子对动态吸附除磷的影响。吸附柱高与吸附达到穿透和平衡的时间成正比，而进水初始磷浓度与吸附达到穿透和平衡的时间成反比，说明可供吸附的位点越充足，磷酸根的吸附越完全。由BDST模型求得吸附柱的吸附容量为1947mg/L。初始磷浓度为10mg/L、30mg/L和50mg/L时，由Thomas模型计算得出吸附柱的平衡吸附量分别为3.8755mg/g、60.7150mg/g和58.8313mg/g。不同共存离子存在的情况下，由于多价态的离子比单价态的离子更容易被吸附，吸附柱吸附速率按照SO42-＞NO3-＞NH4+的顺序排列。另外，本研究测定了球形及柱状陶粒的物理性能，结果显示优化的陶粒所具备的较高除磷性能得益于其具备较多的孔隙结构。为了探讨各材料的吸附反应机理，本研究采用BET和EPMA测定了材料的物理性能，得出两种吸附材料的比表面积及元素组成，另外还对吸附反应前后的球形及柱状材料分别进行了扫描电镜分析（SEM）和能量色谱分析（EDS），两种陶粒吸附除磷过程均主要为水溶液中的磷酸盐与吸附材料中含Si、Fe的有效组分发生配位体交换，同时也包含化学沉淀。
【作者】宁倩；
【导师】胡伟武；
【作者基本信息】中国地质大学（北京），环境科学与工程，2014，硕士
【关键词】混料设计；陶粒；磷酸盐；动态吸附；静态吸附；

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