铁基淀粉样纤维高效除磷特性研究

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磷酸盐过量引起的水体富营养化已成为世界性的环境问题,寻找更加高效的方法去除废水中的磷酸盐是解决水体富营养化的关键。吸附法因具有操作简单、成本低等优点被认为是去除水体中磷的合理方式。金属氧化物及氢氧化物因其与磷酸盐存在强络合作用是吸附废水中磷酸盐的理想选择。本研究选择β-乳球蛋白淀粉样纤维作为基体,在克服纳米材料制备过程易团聚难题的基础上,将纳米氢氧化铁负载到纤维表面,成功制备铁基淀粉样纤维。此外,进一步将复合吸附剂与D201粉末混合制备成树脂基纤维氢氧化铁复合膜,用于对含磷废水的过滤处理。本文研究了以上两种复合材料对水体中磷的吸附性能,并探讨了吸附剂对磷酸盐的吸附机理。首先以β-乳球蛋白淀粉样纤维为分散剂与载体,在淀粉样纤维表面原位合成纳米氢氧化铁,制备复合吸附剂Fiber-Fe(OH)3。利用TEM、XRD等方法对复合吸附剂进行微观形貌分析。结果表明:β-乳球蛋白淀粉样纤维具有超高的纵横比,长度在2~4μm范围内,直径约10 nm。原位合成氢氧化铁颗粒后,纤维长度无明显变化,分布在纤维表面的氢氧化铁颗粒直径小于10 nm。复合材料在静态吸附批次实验中展现出优异的吸附性能:在高浓度竞争离子共存的环境中,具有显著的选择吸附性,对水体中磷酸盐具有高于95%的去除率;在溶液pH=2~8范围内对磷的去除率稳定在94%以上;具有较快的吸附动力学特性,吸附可在5 min以内达到平衡。此外,快速吸附实验验证了复合材料对低浓度磷酸盐也具有良好的处理效果,去除率在90%以上。复合吸附剂在模拟动态吸附实验中表现出的实际应用能力,进一步证明了其应用可行性。在此基础上,本研究选择大孔强碱性苯乙烯阴离子交换树脂D201粉末与复合材料混合,借助淀粉样纤维的粘附作用,通过玻璃砂芯抽滤装置制备树脂基纤维氢氧化铁复合膜。通过TEM、XRD、FTIR等表征手段对材料的形貌以及化学基团进行分析。竞争实验结果表明复合膜对磷酸盐具有高效选择吸附性(去除率>90%);不同浓度含磷废水净化实验结果表明:复合膜对低浓度磷酸盐有显著的处理效果,1mg/L的含磷溶液经处理后,浓度降低至0.13 mg/L。溶液pH影响实验结果表明复合膜具有宽泛的pH应用范围(pH值:2.0-11.0);模拟动态吸附实验得到复合膜有效处理含磷废水能力为6400 kg废水/kg吸附剂,出水中磷酸盐浓度低于0.5 mg/L,且在3个循环吸附-脱附再生周期内,具有良好的吸附再生性能,进一步证明材料的实际应用能力。
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