蛋壳负载纳米铁对水体中磷酸盐的去除及机理研究

来源 :成都理工大学 | 被引量 : 10次 | 上传用户:lidenglu1114
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磷是水体富营养化控制因素之一,当水体中总磷含量大于0.02mg/L时会引起水体富营养化状态,普遍认为水体富营养化中磷含量的直接贡献者为正磷酸盐,为此控制水体中磷含量的问题迫在眉睫。纳米铁(nZVI)因其具有较高的比表面积、高反应活性、强还原性等特点常被用于水体中污染物的去除,但其易团聚、易氧化的弊端影响其实际工程应用的推广。本课题选取厨余废弃物——蛋壳(eggshell,ES)作为负载介质,制备蛋壳负载型纳米铁(ES-nZVI),以期增加纳米铁的分散性和抗氧化性能,由于蛋壳自身对正磷酸盐具有吸附性能,将其用于水体中正磷酸盐的去除,可实现与纳米铁协同除磷、废物再利用的目的。本研究优化了制备过程中蛋壳预处理、蛋壳粒径、蛋壳投加量、体系乙醇含量的参数选择;考察了投加量、污染液初始浓度、温度、pH以及共存阴离子对ES-nZVI除磷效能的影响;初步探究了ES-nZVI对正磷酸盐的去除机理和动力学过程。主要结论如下:(1)ES-nZVI制备参数为:蛋壳预处理采用0.5mol/L的酸进行活化、蛋壳粒径为200目、蛋壳与纳米铁质量比为2.5:1、制备体系中乙醇体积为50%;(2)批实验表明,水体中的溶解氧含量对ES-nZVI最终除磷效果影响较小;增加ES-nZVI投加量可缩短反应达到平衡所需时间;初始浓度的升高可提高ES-nZVI的吸附容量;升高反应温度,虽能加快反应速率,但不利于低Fe:P比值条件ES-nZVI下对正磷酸盐的去除效果,因为该条件下升温会加速Fe-P中磷的解析,降低最终除磷率,所以低温有利于ES-nZVI除磷反应的进行;溶液初始pH对最终除磷率影响不显著,对除磷速率影响显著;共存阴离子存在会对ES-nZVI除磷效果造成影响,影响程度由大到小的顺序为:SO42->F->HCO3->Cl->NO3-,其中SO42-和F-对ES-nZVI除磷影响较大;(3)Langmuir和Freundich等温吸附模型均能较好的描述吸附过程,表明ES-nZVI去除正磷酸盐的过程为均相和非均相吸附共同作用的结果;动力学过程分析表明,准一级和准二级动力学模型均能较好的描述去除过程,说明ES-nZVI去除正磷酸盐主要以化学吸附为主;(4)蛋壳和蛋壳负载纳米铁的SEM表征结果表明,纳米铁呈分散颗粒状负载于蛋壳内部孔径及表面,TEM和XRD表征进一步验证了蛋壳表面的球形颗粒物质为零价铁;(5)ES-nZVI反应前后的SEM表征对比可知,反应后的ES-nZVI表面形貌明显发生改变,表明材料与正磷酸盐接触后发生了复杂的化学反应;FT-IR表征结果表明反应后ES-nZVI表面Fe-O键消失、-OH增加,说明铁氧化物参与了除磷过程;XPS表征结果表明,ES-nZVI反应后Fe主要以Fe(II)形式存在,除磷过程中P并未发生氧化还原反应,除磷机理可能为溶解-沉淀作用、化学吸附和共沉淀作用;XRD表征结果进一步验证反应产物有Fe3(PO42·8H2O和Ca5(PO43OH。
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