海藻酸钙固定改性膨润土对磷酸盐的吸附特性研究

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磷作为一种不可再生的自然资源,也是水体富营养化的关键因素。随着对地表水或污水厂出水中磷去除与回收的需求日益迫切,研发水中低浓度磷的强化去除方法具有重要的环境意义。近年来,膨润土吸附磷技术因其价格低廉,环境友好而备受关注。论文在广泛深入的文献凝练基础上,以提高吸附容量,易于实现固液分离为原则,优化制备了改性膨润土和海藻酸钙固定化吸附剂颗粒,开展了初始磷酸盐浓度为0.550mg/L的吸附实验,实现了废水中磷酸盐的有效去除和磷酸盐负荷削减的良好效果。同时,吸附后的材料无二次污染,具有较好的还田回用的可行性。本文的主要研究内容和实验结论如下:(1)改性膨润土吸附剂的优化制备与吸附效能实验通过水洗提纯、钠化、铝柱撑三个过程对膨润土进行改性,优化制备了改性膨润土,吸附性能提高约85%。优化制备过程中,将膨润土与超纯水以5%(W/V)的比例在210r/min转速下振荡洗涤后,采用1mol/L的NaCl溶液对其进行钠化,降低膨润土遇水膨胀的不利影响,提高其在水中的分散性,且通过阳离子交换,Na+离子能够和膨润土中高价的Ca2+、Mg2+离子发生交换,获得阳离子交换容量更高的钠化膨润土,进一步增大后续聚合羟基铝离子的离子交换效率,提高柱撑效果,是改性膨润土吸附容量增加的主要原因。X射线荧光光谱分析表明,改性前膨润土为钙,镁基膨润土。X射线衍射分析中,改性后,膨润土的(001)面X射线衍射峰的晶面间距d值相比于改性前从1.52nm增加到1.70nm,改性过程在改变膨润土表面电荷的同时也增加了其层间距。当初始磷酸盐浓度为20mg/L,pH为3,改性膨润土投加量为1g/L时,约6小时达到吸附平衡,磷酸盐去除率为91.68%。(2)海藻酸钙固定改性膨润土颗粒吸附剂的制备与吸附效能实验将海藻酸钠与改性膨润土的混合凝胶滴入3%(w/v)氯化钙溶液中交联固化,制备固定化吸附剂颗粒。固定化吸附剂颗粒表面粗糙,凹凸不平,内部具有较高的孔隙率以及致密的网状结构。其累积孔体积,比表面积和平均孔径分别为0.04cm3/g,17.01m2/g和13.41nm,属于典型的介孔材料,孔道结构对磷酸盐的传质效果良好,磷酸盐容易被结合位点捕获。固定化吸附剂颗粒密度为1.32×103kg/m3,易于在水中实现良好的固液分离。当初始磷酸盐浓度为0.550mg/L,pH为3,温度为30oC,固定化吸附剂颗粒投加量为2g/L,转速为210r/min时,随着初始磷酸盐浓度的降低,吸附效率逐渐增高。初始浓度为0.5和1mg/L时,吸附效率均能达到100%,且吸附平衡时间分别仅需15min和24min。(3)固定化颗粒吸附剂的吸附特性实验针对初始磷酸盐浓度为550mg/L的模拟废水,固定化吸附剂颗粒对磷酸盐吸附符合伪二级动力学方程。固定化吸附剂颗粒对磷酸盐的吸附过程主要受颗粒内扩散控制。固定化吸附剂颗粒吸附磷酸盐的过程由Freundlich和Langmuir过程共同作用,饱和吸附容量为15.68mg/g。固定化吸附剂颗粒吸附磷酸根离子是自发进行的,且自发性与温度成正比。磷酸盐进入固定化颗粒吸附剂后主要通过配体交换,静电吸附,阴离子交换等过程发生吸附效应。(4)固定化吸附剂颗粒吸附实际水样中磷酸盐的实验处理某城镇污水厂二沉池出水磷酸盐吸附静态实验中,初始磷酸盐浓度为0.93mg/L,当固定化吸附剂颗粒投加量为4g/L时,吸附平衡时间为16min,磷酸盐去除率为98.81%,吸附后出水中磷酸盐浓度为0.01mg/L。在处理某水库水的静态实验中,初始磷酸盐浓度为0.52mg/L,固定化吸附剂颗粒对废水中的磷酸盐,COD和氨氮都有去除作用,各指标去除率分别为72.42%,4.75%及9.18%,表明固定化吸附剂颗粒具有一定实际应用的可行性。论文研究受重庆市技术创新与应用示范专项重点研发项目(cstc2018jszx-zdyfxmX0014)资助。目前,膨润土吸附磷酸盐废水多处于实验室研究阶段,针对实际水样或对其固定化的研究仍有待深入探讨。本论文进行了膨润土改性,并结合固定化技术制备固定化吸附剂颗粒,探究吸附材料的吸附效能与特性,能够实现了水中低浓度磷的回收利用。研究结论可为水中磷资源回收尤其是低浓度含磷废水的处理提供一定的理论技术支撑。
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