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磷是人类生命活动和现代农业不可或缺的元素之一,但水体中过量的磷会导致富营养化,破坏生态环境。当下,人类社会正面临着磷资源短缺与磷污染严重的窘境。水中磷的深度处理和磷资源的回收已成为水污染治理领域的重要研究课题。课题组前期研究证实铁系纳米复合材料如HFO-201对磷具有高吸附容量和高选择性,具有良好的应用前景。为了系统评估HFO-201在复杂水体环境中的除磷效率,本文选取pH值、温度、硫酸根浓度、吸附剂量和初始磷浓度等为影响因素,构建了三层前馈/反向传播式人工神经网络,用于模拟不同运行参数和水质条件下HFO-201的除磷过程。该模型可准确预测HFO-201静态除磷效率(Pearson系数为0.989)和固定床吸附穿透曲线(相关系数为0.993)。与相应曲面模型相比,人工神经网络模型具有更强的灵活性和鲁棒性,还可以对训练组边界条件以外的数据较为准确的外推预测。通过ANOVA测试和权值分析,发现除温度外,其他参数影响显著。通过结合遗传算法,人工神经网络可对HFO-201除磷系统进行优化,在特定条件下,可在保持90%以上磷去除率的基础上,计算得到最小吸附剂投量和最优pH。上述结果表明,人工神经网络模型是提升HFO-201应用效率的优良工具。HFO-201柱吸附除磷穿透后,可用NaOH-NaCl二元溶液进行再生,再生后的富磷脱附液可通过鸟粪石法进行磷的回收。HFO-201脱附液具有高盐度,高碱度和高有机背景的特点,本文考察了脱附液溶液化学对鸟粪石结晶法磷回收的影响。研究发现,脱附液中的高盐度和高有机物会对磷回收率和鸟粪石纯度产生负面影响,通过增加镁和氨氮的投量(Mg:NH4:P摩尔比从1:1:1增至1.4:4:1)可有效减轻高盐度和有机物带来的负面影响。这些影响产生主要是因为鸟粪石的过饱和度指数(SI)发生了改变。研究发现,在25℃、pH9.0-9.5、Mg:NH4:P摩尔比为1.4:4:1条件,磷回收率和鸟粪石纯度达最佳。HFO-201在吸附磷的同时可排阻钙离子,在无钙环境下,高纯度鸟粪石可在pH 8-9.5范围内快速形成(30 min),而在有钙环境下,则需在中性条件下反应数天。通过直接加钙法也可有效回收脱附液中的磷,但回收产物磷含量(～4.4%)远小于鸟粪石(～17%)。该研究验证了以鸟粪石法从纳米复合材料HFO-201脱附液中回收的可行性。为进一步发展高效除磷材料与技术,本文选取聚苯乙烯基大孔强碱性阴离子交换树脂D-201作为载体,利用其独特的网孔限域效应,通过“前驱体导入-纳米网孔原位成核”技术,研制成功新型高效聚磷纳米复合吸附剂La-201。研究发现,镧以水合氧化镧晶体形式稳定固载在La-201网孔中,分布较均匀,La-201的表面电荷增多,零电荷点由原来的9.5上升至10.5。相比于HFO-201,La-201的pH使用范围更广,在高竞争离子(Cl-、SO42-、NO3-、HCO3-)浓度下对磷酸根的选择性更强。在同等条件下,La-201的工作容量为HFO-201的2-4倍,一定条件下固定床处理量约为HFO-201的111倍。吸附穿透后的La-201可用15%NaOH+5%NaCl二元溶液在60℃下高效再生,再生后可长期稳定循环使用。研究采用STEM-ESD、XPS、XRD和SSNMR等显微光谱学手段,揭示了 La-201特异性吸附磷和再生的机制,发现磷主要是以LaPO4·xH2O的形式被水合氧化镧晶体吸附的,吸附过程中产生了晶体增长现象,且LaPO4·xH2O与水合氧化镧可相互转化。这一该研究推进了对镧系复合材料除磷的认识,对推动纳米复合材料的应用具有重要意义。