过渡金属复合改性海泡石的制备及其磷酸盐吸附性能研究

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控制富磷废水进入水体对于控制水体富营养化、平衡水生生态系统及维护居民正常生产生活具有重要意义,因此对水体中磷酸盐的去除一直是研究的热点内容。吸附法因其具备使用有效方便、处理速率快、无二次污染、可资源回收等优点而被广泛使用。海泡石作为一种矿产资源丰富、环保无毒且价格相对低廉的粘土矿物,具有2:1层状孔道结构和独特的纤维状晶体结构,具有极强的离子交换能力和较高的理论比表面积,由此常被使用于催化吸附领域。而金属氧化物具有吸附性能好、化合物颗粒较小且不宜溶解等优点,过渡金属掺杂其他金属氧化物形成双金属复合氧化物从而利用两者的协同作用提高吸附剂的吸附性能是常见的改性方法。因此,本研究采用向海泡石中引入过渡金属掺杂金属氧化物进行改性,与海泡石形成纤维状晶体结构与双金属氧化物的混合体,来提高海泡石对磷酸盐的处理性能。利用吸附动力学、吸附等温线、吸附热力学模型和响应面模型描述对磷酸盐的吸附过程,优化吸附条件,并结合BET、SEM、XRD和FTIR等表征方法对海泡石改性前后的表面形貌和结构变化进行深入分析研究,探究添加金属比例、p H值、共存离子等对改性海泡石吸附磷酸盐的影响。此外,本研究对改性海泡石去除磷酸盐的动态吸附性能进行探究,以期为其对处理富磷废水的实际应用提供一定参考。本研究主要结论如下:(1)通过过渡金属(Zn2+、Fe3+、Mn2+)和Al3+在碱溶液的作用下复合改性海泡石,制备得到过渡金属复合改性海泡石(H+-Zn Al-Sep、H+-Fe Al-Sep和H+-Mn Al-Sep),利用BET、SEM、XRD和FTIR等表征方法对复合改性海泡石进行分析研究。结果表明,过渡金属复合改性并没有破坏海泡石的晶型结构,H+-Zn Al-Sep、H+-Fe Al-Sep和H+-Mn Al-Sep的比表面积有了很大的提高,这是因为双金属氧化物在海泡石表面形成细密的金属化合物后,本身具有丰富的介孔结构,且与海泡石相互交织穿插,增加了其分散性,增大了比表面积,使得表面的有效活性吸附位点数量增加,从而有利于对磷酸盐的吸附。此外,H+-Fe Al-Sep和H+-Mn Al-Sep表面的金属氧化物主要是以无定形物质的形式存在,H+-Zn Al-Sep具有相对明显的锌氧化物(Zn O)的特征衍射峰,三者皆新增了金属阳离子(M-O和M-OH)的晶格振动峰,表明金属以氧化物的形式成功改性海泡石。(2)研究了对H+-Zn Al-Sep、H+-Fe Al-Sep和H+-Mn Al-Sep磷酸盐吸附性能的影响因素。结果显示,三者的磷酸盐吸附性能受到制备金属添加比例和模拟废水的p H值的影响较大,H+-Zn Al-Sep的最优添加比例为Zn2+:Al3+为4:1,H+-Fe Al-Sep的最优添加比例为Fe3+:Al3+为1:4,H+-Mn Al-Sep的最优添加比例为Mn2+:Al3+为2:1;吸附磷酸盐的最佳p H值皆为3,吸附反应受到CO32-和SO42-的影响较大,因此该吸附剂更适用于偏酸性富磷废水中,且利用吸附剂除磷的过程中应避免CO32-、SO42-的掺入,从而达到更好的处理效果。(3)研究了对H+-Zn Al-Sep、H+-Fe Al-Sep和H+-Mn Al-Sep的磷酸盐吸附性能。H+-Zn Al-Sep、H+-Fe Al-Sep和H+-Mn Al-Sep的吸附过程更符合伪二阶动力学和Elovich方程,化学吸附是复合改性海泡石吸附过程中的决定性步骤,颗粒内扩散模型表明H+-Zn Al-Sep具有更快的反应速率和吸附容量,回归模型可较好地预测平衡吸附量,p H为3.2,温度为40℃,初始浓度为70 mg·L-1时为最佳吸附条件,H+-Zn Al-Sep的平衡吸附量可达82.99 mg·g-1。(4)H+-Zn Al-Sep、H+-Fe Al-Sep和H+-M n Al-Sep的吸附过程属于自发吸热的熵增过程,主要为磷酸盐和-OH在海泡石表面发生了配位体交换从而形成紧密的表面络合物和静电吸引作用,H+-Zn Al-Sep中海泡石纤维与锌铝氧化物的片层状结构交织,增加了分散性,从而增加了其表面有效活性吸附位点的数量,提高吸附性能。(5)探究H+-Zn Al-Sep的动态吸附磷酸盐的效果。当H+-Zn Al-Sep的投加量越多,进水流速越慢,待处理溶液的初始浓度越低,H+-Zn Al-Sep的穿透时间和耗竭时间越短,即提高吸附剂的磷酸盐动态吸附性能。可见,H+-Zn Al-Sep具有一定的应用于富磷废水的潜力。
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