聚丙烯酸基纳米水合氧化铁的制备及除磷研究

【摘要】：本研究采用FeCl_4~-离子交换-NaOH沉淀-热处理,将纳米水合氧化铁(HFO)负载至丙烯酸阴离子交换树脂D213。首先,优化制备条件(FeCl_3和NaOH浓度),考察复合吸附剂的材料性能和吸附性能,筛选出具备最优性能的复合吸附剂HFO-D213。随后阐明投药量、竞争离子、时间及温度对HFO-D213吸附磷的影响规律及作用机理,并揭示磷吸附机理。最后,通过静态吸附-洗脱及固定床吸附-洗脱实验,考察HFO-D213的吸附和洗脱性能,为其用于污水深度除磷提供理论与技术支持。本研究主要研究结果如下:(1)通过调控“离子交换”阶段FeCl_3浓度,制备出六种复合吸附剂。材料表征结果表明,复合吸附剂的HFO负载量介于4.6%～17.1%,HFO为纳米级,呈无定型。另外,HFO在复合吸附剂内呈U型分布,造成复合吸附剂的部分孔道堵塞,平均孔径略有下降。静态吸附实验表明,HFO负载量过高过低均不利于复合吸附剂对磷的吸附,HFO负载量为14.8%时,磷吸附容量最大。准一级动力学拟合结果显示,HFO负载量越高,复合吸附剂吸附速率越慢。此外,复合吸附剂的最适pH为6～8。当SO_4~(2-)浓度≥600 mg/L,可屏蔽载体D213的吸附作用。重复使用过程中,复合吸附剂的吸附和洗脱效果稳定。综合考虑,FeCl_3浓度为1.2 mol/L时,制备的负载量为14.8%的复合吸附剂HFO-D213-14.8具有最佳性能。(2)调控“原位沉淀”阶段NaOH浓度,制备出三种复合吸附剂。材料表征结果表明,提高NaOH浓度对HFO的负载量无显著影响,HFO负载量介于14.1%～14.9%,负载HFO为纳米级,呈无定型。另外,提高NaOH浓度对HFO的分布均匀性有显著提升,NaOH浓度越高,HFO分布越均匀。静态吸附实验结果表明,HFO-D213-1.5M的吸附容量低于另外两种复合吸附剂。但是,三种复合吸附的吸附动力学性能无显著差异。三种复合吸附剂的最适pH为6～8。综合吸附性能与制备药剂用量,确定NaOH浓度为3 mol/L。(3)考察最佳制备条件下(1.2 mol/L FeCl_3+3 mol/L NaOH)所制备出的复合吸附剂HFO-D213的吸附性能和吸附机理。实验表明,初始磷为10 mg/L,HFO-D213最优投药量为0.5 g/L。无机阴离子对HFO-D213吸附磷影响不同,具体为SO_4~(2-)NO3-Cl-。HFO-D213的吸附平衡时间为240 min。HFO-D213吸附磷时,ΔG0,ΔH0,ΔS0,属于吸热自发反应。通过XPS、FT-IR、SEM-EDX发现,HFO-D213吸附磷由HFO对P的配位作用及D213内季氨基对P的静电吸附作用两部分组成。多批次重复实验中HFO-D213吸附和洗脱性能良好,可重复利用性。在固定床实验中,设定出水总磷0.5 mg/L为穿透点,模拟废水过水量约1500 BV,实际二级出水的过水量约860 BV。另外,洗脱液(5%NaOH+5%NaCl)的洗脱率均接近100%。本研究在HFO-D213制备条件优化基础上,开展了吸附性能、吸附机理及固定床应用等研究。制备的HFO-D213具有选择性高、吸附性能好、稳定性强及可重复利用等特点,研究结果为HFO-D213进一步实际应用提供了理论和技术支持。