类花状水滑石材料的制备及其对水体中磷的吸附再利用性能研究

来源 :浙江理工大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:zywlaoying
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磷是一类稀缺的不可再生资源,也是人类生命活动不可或缺的重要元素。然而,每年过量的磷经由农业径流和废水排放进入水环境造成水体的富营养化,给人类社会生活和生产带来严重危害。因此,从废水中高效去除和回收磷并实现其再循环利用对水环境治理和磷资源利用具有重要的科学意义和社会价值。为实现废水中磷的高效吸附回收与再循环利用,本论文通过结构设计和工艺控制,采用共沉淀法制备了类花状镁铝水滑石材料(Mg/Al-LDO)。系统研究了 Mg/Al-LDO吸附剂的添加量、吸附温度、溶液pH、接触时间及共存离子等工艺因素对磷去除效果的影响。采用动力学和等温线模型探究了 Mg/Al-LDO对磷的吸附行为,并结合Zeta电位、XRD和XPS分析等探讨Mg/Al-LDO对磷的吸附机理。在此基础上,为进一步提高磷的吸附回收和分离效能,以废弃酒糟为原料,结合共沉淀和焙烧技术制备钙镁铝水滑石修饰的生物炭复合材料(Ca/Mg/Al-LDO@BC),系统研究了复合材料微观结构、组成和吸附能力之间的相互作用关系,并进一步分析了 Ca/Mg/Al-LDO@BC复合材料对磷的吸附机理。最后探究了含磷Mg/Al-LDO和Ca/Mg/Al-LDO@BC分别在纸张阻燃和植物增肥增效方面的应用价值。具体研究工作如下:(1)镁铝水滑石的制备及对水体中磷的吸附再利用性能研究:通过结构设计和工艺控制,采用共沉淀法制备了具有花瓣状微观结构形貌的镁铝水滑石材料(Mg/Al-LDO),其比表面积高达200.17 m2/g。对磷的吸附性能研究发现,Mg/Al-LDO展现出优异的磷去除能力,其对磷的吸附容量达103.8 mg P/g,同时具有优良的环境稳定性,在环境pH 2-9的范围内仍保持优异的吸附效果。在对水体中共存阴离子存在对吸附效果的影响研究发现,Mg/Al-LDO具有良好的抗干扰能力,低价阴离子的存在几乎不影响吸附剂对磷的作用,各种离子对磷去除的影响顺序为CO32->SO42->Cl->NO3-。吸附行为研究发现,Mg/Al-LDO对磷的吸附动力学符合伪二阶动力学模型,等温吸附符合Langmuir等温吸附模型。结合吸附反应前后Zeta电位、XRD及FTIR、pH值等变化分析,Mg/Al-LDO对磷的高效吸附主要是静电引力、离子交换、表面配位及络合共同作用的结果。最后,将磷吸附后的Mg/Al-LDO(P-LDO)与纸浆粕混合经抄纸工艺得到复合纸(P-LDO/Paper),考察了 P-LDO在纸张阻燃领域的应用潜能。研究发现,当复合纸中P-LDO含量仅10%时,复合纸的极限氧指数(LOI)较普通纸张由17.6%增加至29.4%,展现出明显的纸张阻燃效果。(2)钙镁铝水滑石/生物炭复合材料的制备及其对水体中磷吸附再利用性能研究:为进一步提高磷的吸附去除和分离效能,以废弃酒糟为原料,结合共沉淀和焙烧技术制备了钙镁铝水滑石/生物炭复合材料(Ca/Mg/Al-LDO@BC),并研究了复合材料微观结构、组成和吸附去除能力之间的作用关系。研究发现,当Ca:Mg:Al金属离子摩尔比为1:3:1,生物炭加入量为0.1 g时,制备得到的Ca/Mg/Al-LDO@BC比表面积高达508.97 m2/g,展现出更加优异的磷吸附能力。相较于Mg/Al-LDO,Ca/Mg/Al-LDO@BC复合材料在2 h内即达到磷的吸附平衡,其对磷的最大吸附量可达158.3 mg P/g,展现了更高的吸附容量和更快的去除速率。此外,Ca/Mg/Al-LDO@BC复合材料对磷吸附应用环境范围更广,在pH2-11范围内均保持良好的吸附效果。尤其对浓度较低的磷污染水体,呈现出更加高效的吸附回收能力,对浓度为2 mg/L的磷酸根溶液,10 s和30 s的吸附去除率分别达88.56%、93.39%,60 s内即可实现磷污染物的完全去除。将磷吸附后的Ca/Mg/Al-LDO@BC(P-P-CaMgAl-LDO@BC)用作植物生长促进剂的磷肥展现出良好的作用效果,使用实验肥灌溉的小青菜涨势良好,生长至30天时,灌溉实验肥的小青菜较对照组普通植物高3.9 cm。本论文成功制备出可高效吸附回收磷的类花状水滑石材料,解决了传统吸附剂吸附容量小、吸附速率慢等问题。同时,本研究阐明了所制备类花状水滑石材料对磷的吸附作用机理,并扩展了其在纸张阻燃及植物增肥增效方面的再循环利用潜能,为水体中磷污染物的回收与再利用提供了一种新材料、新技术和新理论。
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