介孔埃洛石和大孔硅藻蛋白石及其改性产物对磷的吸附特性和机理

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含磷营养物质在江河、湖泊等缓流水体中的排入会导致藻类等自养水生生物大量繁殖,造成水体富营养化。因此,如何脱除水体中的磷,抑制水体富营养化,改善水质,保持水体生态环境平衡,是一个亟待解决的环境污染问题。目前除磷方法主要分为化学法、生物法和物理吸附法。其中,化学法常存在处理费用高,产生的污泥多且难处理,易造成二次污染等问题;生物法虽被广泛使用,但其运行条件较严格,出水效果不稳定,水体磷含量难以达到出水标准。吸附法的主要原理是采用高效吸附材料对水体中的磷进行吸附、浓缩和去除,因其流程较简单易行,目前应用较为广泛。采用该方法除磷的关键在于研发具有优良吸附性能的吸附材料。然而,现有的除磷吸附材料存在造价高、回收利用困难、易产生二次污染等缺点,限制了吸附法的推广应用。  鉴于上述问题,本研究采用天然多孔矿物(埃洛石和硅藻蛋白石),通过表面负载、热处理等方法对其结构和表面性质进行调控改性,探究多孔矿物及其改性产物对水体磷的吸附机理,为矿物基高效磷吸附材料的研制提供理论基础和实验依据。  本论文工作的主要内容和所取得的主要结果如下:  (1)研究了管状纳米矿物埃洛石(Hal)在热处理下结构、形貌及其表面基团的变化特征,及其对磷吸附的影响和机理。本课题组前期研究发现:埃洛石和高岭石在热处理后具有相似的变化机制,当温度升至500℃,开始脱除部分羟基基团,晶体结构遭到破坏;当温度升至600~900℃时,埃洛石已失去晶体结构,生成无定形的变埃洛石。根据其晶体结构和表面性质的变化特征,选取在过渡态温度下(500℃和700℃)热处理后的埃洛石和高岭石作为磷吸附剂,探究其对水中磷的吸附性能。发现Hal-500、Hal-700、Kao-500和Kao-700等4种材料在酸性条件下均对磷具有较好的吸附能力,其等温吸附结果均符合Langmuir等温吸附模型,最大吸附量分别为1.11、1.04、1.03和0.53 mg P/g。与前人研究的改性高岭石材料相比,其吸附量与本研究所得的吸附量相似。但较之商用的活性氧化铝材料,高岭石和埃洛石较低的比表面积和等电点使其吸附能力较低。吸附再生实验表明磷脱附率达到80%~95%,再生后恢复至原始吸附能力。  (2)研究了硅藻蛋白石矿物结构和表面调控对其负载纳米金属氧化物颗粒负载的影响和机制,据此制备出对磷具有高吸附性能的硅藻土基吸附材料。采用原位合成/负载法,制备了具有多级孔结构的纳米氧化铝/氧化锰-硅藻土复合物(Dt-Al-Mn)。硅藻土表面均匀负载了铝-锰双金属氧化物颗粒薄膜,该颗粒薄膜以无定形态存在。Dt-Al-Mn不仅保留硅藻土的大孔结构,且形成了大量的微孔和介孔结构,其比表面积和孔容为352.4 m2/g和0.535 cm3/g,远高于硅藻土(Dt)和硅藻土负载氧化铝材料(Dt-Al)。Dt-Al-Mn对磷的最大吸附量为9.3 mg P/g,采用氧化铝含量标化后的最大吸附量为67.9 mg P/g,对低浓度磷也具有优异的吸附性能,去除率达99%。在酸性条件下,Dt-Al-Mn材料的吸附反应速率较高,0.5 h即可达到最大吸附量的81%。经动态吸附柱的3次再生试验评估表明Dt-Al-Mn的磷吸附量仍维持在初始吸附的70%。  综上,本论文工作基于天然多孔矿物的结构和物理化学特性,通过结构和表面改性调控其对磷的吸附特性,从而制备了多孔矿物基高效磷吸附材料。研究结果为相关多孔矿物在磷吸附领域的应用提供了理论依据和实验数据,对实现多孔矿物资源的高效利用和研发磷污染处理技术具有实际意义。
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