基于羟基氧化铁的超导磁吸附分离技术除磷研究

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磷是造成水体富营养化问题的主要原因,但同时,磷也是重要的矿产资源,研究如何回收废水中的磷元素具有重要的实际意义。目前污水除磷过程强调污染处理,而忽视了磷的资源化,进而产生大量含磷污泥。本课题结合超导磁分离技术,提出利用羟基氧化铁磁性吸附剂进行废水除磷和磷资源化回收的工艺。本课题采用共沉淀法制备出羟基氧化铁,筛分得到平均粒径D50为36.47μm、40.74μm、58.68μm(T1、T2、T3)的三种吸附剂,并进行表征分析。结果表明吸附剂为无定形羟基氧化铁,表面疏松多孔,且符合弱磁性物质特征。Langmuir和Freundlich等温吸附模型均能较好地描述羟基氧化铁对磷的吸附行为,T1-T3样品理论饱和吸附量分别为18.74mg/g、19.19mg/g和19.56mg/g。出水磷浓度随羟基氧化铁投加量升高而减少,初始磷浓度为2.0mg/L和5.0mg/L时,投加量分别为2g/L和4g/L可达到一级A标准。T1样品超导磁分离效果最佳,穿透柱体积为1087个柱体积。磁分离出水磷浓度均低于0.5mg/L,磷去除率最大为92.5%。磷的解吸率随NaOH解吸液浓度增加而增加,当NaOH浓度为1.5mol/L时,磷解吸率为98.57%。以CaCl2为沉淀剂,当n(Ca:P)=6.68时,磷回收率达到91.23%,回收产物磷含量达到40.03%(以P2O5计)。在上述基础上,本课题通过共沉淀法制备Fe3O4磁核,分别包覆不同比例的羟基氧化铁,得到H1-H4 Fe3O4@FeOOH吸附剂,并进行表征分析。XRD图谱Fe3O4的峰强度随Fe3O4比例下降而逐渐减弱。红外光谱显示吸附剂表面-OH基团随Fe3O4比例增加而减小。XPS能谱显示吸附剂表面铁氧比例和不同价态铁比例接近理论值。带磁核的吸附剂具有强磁性。随着吸附剂中Fe3O4比例的增加,吸附剂的饱和吸附量由11.67mg/g逐渐减小到4.55mg/g,且污水对磷的吸附具有抑制作用。为使生活污水达到一级A标准,应投加2g/L H1、3g/L H2、3.5g/L H3或4g/L H4吸附剂。在投加量均为4g/L时,在保证污水达到一级A标准的前提下,H1-H4吸附剂分别可以重复吸附4、3、2、1次。超导磁分离实验结果表明:增大吸附剂磁性和降低流速有助于增大穿透体积。四种吸附剂解吸率相近,均大于98%。XRD分析显示回收产物主要成分为HAP。产物磷含量为38.25%(以P2O5计),回收率达90%以上。利用600mm口径超导磁分离设备估算污水处理量和处理成本:污水处理能力约为6.86×106t/年,处理成本约为2.44元/t。
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