FeCl_3改性陶粒的制备及其吸附除磷机理研究

【摘要】：近年来,我国的生态环境得到了很大改善,但是局部地区的水体富营养化现象仍然非常严重。氮、磷元素的过量输入是引起富营养化的主要原因,且磷元素的影响更为明显。因此,为降低水中磷污染物的浓度,寻求一种经济、高效的除磷技术显得尤为重要。在诸多除磷技术中,吸附法因具有除磷效果好、简单易操作等优势而备受关注,吸附材料的选择对吸附除磷的效果有重要影响。在众多吸附材料中,陶粒因具有原料易获取、功能易修饰且可再生利用等优点引起了广泛关注。但传统陶粒吸附容量相对较小,吸附速率不高,为提升陶粒的吸附性能,对其进行改性已成为研究的焦点。本论文的核心内容是研究改性陶粒,主要包括改性剂比选,改性条件优化,改性后陶粒性能指标测试及微观结构表征,吸附除磷特性及解吸再生性能探究等方面;在此基础上,进一步利用吸磷前后改性陶粒微观结构对比分析等手段探究吸附除磷的微观机理,为Fe Cl_3改性陶粒在吸附除磷中的应用做了有益探索。本研究的主要结论如下:(1)改性陶粒的制备及表征研究结论:在改性剂比选实验中,Fe Cl_3改性剂相对于Al Cl_3、Fe(NO_3)_3,具有更好的效果;在最佳改性条件探究实验中,利用单因素试验与正交试验确定的最佳条件为Fe Cl_3浓度1.5 mol/L、焙烧温度300℃、焙烧时间3 h。在该条件下制得的Fe Cl_3改性陶粒,其空隙率为45.7%、表观密度为1.69 g/cm~3、堆积密度为0.92 g/cm~3。改性陶粒的SEM显示,其表面粗糙,孔隙结构丰富;EDS显示,改性陶粒表面铁元素的相对含量为8.69%;XRD表明,改性陶粒的主要物相为Al_2O_3、Si O_2、Ca CO_3、Fe_2O_3和Fe(OH)_3。(2)FeCl_3改性陶粒的吸附除磷特性及再生性能研究结论:在单因素探究实验中,投加6.0 g/L改性陶粒至浓度为2.0 mg/L的含磷溶液中,在25℃、120 r/min下吸附14 h,磷的去除率为88.6%,效果良好;相同条件下,3.0 g改性陶粒对500 m L初始浓度为1～12 mg/L、p H为3～9含磷溶液的磷去除率均高于67.8%,表明其对磷浓度和p H的适应性良好。在再生性能研究实验中,将6.0 g/L吸磷改性陶粒在0.1 mol/L Na OH溶液中解吸6 h,将解吸后改性陶粒置于浓度为2.0mg/L含磷溶液中吸附14 h,磷去除率为86.5%,与原改性陶粒仅相差3.1%,表明改性陶粒可以有效再生。在动力学特性与等温吸附特性研究实验中,改性陶粒的吸附除磷过程遵循Langmuir模型,表明在固液界面主要发生单分子层吸附;同时遵循准二级动力学模型,表明改性陶粒主要依靠化学吸附作用除磷。(3)FeCl_3改性陶粒吸附除磷的微观机理研究结论:改性陶粒吸磷后的SEM和XRD表征结果显示,其表面被大量Al PO_4和Fe PO_4絮状体包裹,表明Al~(3+)、Fe~(3+)与PO_4~(3-)的化学沉淀反应是改性陶粒的吸附除磷机制之一;吸磷后,FT-IR、XPS谱图中出现了M-OH、M-PO_4的特征峰,CO_3~(2-)特征峰的面积减小以及Fe 2p谱图发生了变化,表明吸附体系中存在M-OH与磷酸根/磷酸氢根形成M-O-P的配位作用、CO_3~(2-)与磷酸根/磷酸氢根的离子交换作用以及金属氧化物中金属原子与磷酸根/磷酸氢根形成O-M-O=P的强配位作用,这与利用密度泛函理论模拟改性陶粒主要组分与吸附质磷酸根/磷酸氢根间成键方式的结果一致。此外,改性后引入的Fe(OH)_3和Fe_2O_3具有更小的LUMO能级值和电子能级差,表明Fe(OH)_3和Fe_2O_3对磷酸根/磷酸氢根具有更强的吸引力,更容易参与到它们的吸附过程中,这也进一步验证了改性后陶粒更具除磷优势的原因。本文基于磷污染现状与除磷需求,制备了一种新型的吸附剂除磷材料——Fe Cl_3改性陶粒。改性陶粒对模拟废水除磷效果以及微观吸附除磷机理等方面的研究结果表明,本论文制备的改性陶粒具有良好的除磷效果与再生性能,在污水除磷领域具有较好的应用前景。