类水滑石对水环境中低浓度磷的调控研究

论文摘要

当前,水环境污染已经成为困扰民生的一个非常重要的问题。工业废水和生活污水中的磷处理不完全或者未经处理就直接排入到水体,导致了水环境中营养物质的超标,给水体带来富营养化,造成了严重的危害。由于传统的二级生化处理工艺除磷结果远不能达到国家二级排放标准,并不能够全面解决营养物质对水体的污染和富营养化危害的问题,因此,有必要寻求新的处理材料和方法,对二级处理后的低浓度磷进行后续除磷。本课题主要研究了类水滑石对模拟含磷环境水中低浓度磷的去除效果,初步分析了其作用机理,探讨了其实际应用的可行性。水滑石也称层状双氢氧化物（Layer Double Hydroxide,简称LDH）、阴离子粘土。水滑石在很多领域,特别是在水处理领域,因其具有独特的孔结构和阴离子的可交换性、吸附催化特性以及较高的耐酸碱能力和热稳定性,显示出了非常广阔的应用前景。本实验制各水滑石。采用双滴定法,按照既定配比混合盐溶液、双滴定、培养、水洗、静置沉淀、定容生产工艺合成液态水滑石,实验制备了Mn:Fe=3:1、Mg:Mn=3:1、Ca:Fe=3:1时的水滑石,分别记为Mn-Fe-LDH、Mg-Mn-LDH、Ca-Fe-LDH、借助环境扫描电镜、FT-IR分析等测试手段,研究了材料的表面形态、吸附机理；同时对其可行性进行了研究,通过改变吸附时间、pH和含磷环境水浓度及掺加共存无机阴离子等因素探讨了材料对磷的去除效果。得出以下结论：（1）材料微孔间交错相通,孔隙结构发达,有良好的结晶度,具有层状双氢氧化物的片状结构,是良好的吸附材料。（2）与吸附前的水滑石相比,吸附后的Ca-Fe-LDH红外光谱在1132 cm-1、1068 cm-1、986 cm-1处出现了P-O振动吸收峰,Mg-Mn-LDH在1068cm-1、1020 cm-1处出现了P-O振动吸收峰,Mn-Fe-LDH在1068cm-1、1014 cm-1处出现了P-O振动吸收峰,说明有P043-或HPO42-或H2PO4-的吸收,从而验证了有磷酸根离子作为附加阴离子进入水滑石层间,并以水滑石沉淀的形式从水中去除。（3）材料用量1 ml,处理2 mg／L的40 mL含磷废水,处理时间1 h,此时Mn-Fe-LDH、Mg-Mn-LDH、Ca-Fe-LDH对磷去除率分别达到97.41%、82.41%和97.00%。（4）吸附体系的pH值对材料除磷效果影响较小。Langmuir模型能够很好的描述材料对含磷废水的吸附过程,Mn-Fe-LDH、Mg-Mn-LDH、Ca-Fe-LDH三种材料除磷的最大饱和吸附容量分别为6.18 mg／g、35.29 mg／g、25.50 mg/g。（5）共存离子对材料的除磷效果有不同程度的影响。随着氯离子浓度的增大,Mg-Mn-LDH对磷的去除率明显降低,Ca-Fe-LDH和Mn-Fe-LDH对磷的去除率则变化不大。随着硫酸根离子浓度的增大,Ca-Fe-LDH对磷的去除率变化不大,Mn-Fe-LDH对磷的去除率有所增大,Mg-Mn-LDH对磷的去除呈先增大后减小趋势。腐植酸的存在会严重阻碍水滑石对磷的吸附。利用水滑石处理含磷废水,操作工艺简单,去除磷效果好,近年来在解决水体富营养化方面逐渐成为研究热点。本实验合成液态未分离水滑石作为吸附剂吸附废水中的磷,此方法省去了水滑石合成中复杂的固液分离和干燥操作,成本低,为含磷环境水的处理提供了新的思路。同时,本实验着重研究水滑石对低浓度含磷环境水的吸附效果,能更好的模拟富营养化水体,填补了国内外在此方面的研究空白,对开拓水滑石功能、开发水滑石新的应用领域具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景和研究意义
• 1.1.1 选题背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 磷污染和水体富营养化
• 1.2.1 水体富营养化
• 1.2.2 水体富营养化的危害
• 1.2.3 水环境中磷的来源
• 1.2.4 水环境中磷的存在形式
• 1.3 国内外水环境除磷技术概况
• 1.3.1 吸附法
• 1.3.2 其它方法
• 1.4 水滑石的研究进展
• 1.5 水滑石的结构与性能
• 1.5.1 水滑石的结构
• 1.5.2 水滑石的性能
• 1.6 水滑石的应用
• 1.6.1 在环境水处理方面的应用
• 1.6.2 水滑石在其它方面的应用
• 1.7 本课题的选题目的、意义及研究内容
• 1.7.1 选题目的及意义
• 1.7.2 研究内容
• 第2章 实验材料的制备及表征
• 2.1 水滑石的常用制备方法
• 2.1.1 共沉淀法
• 2.1.2 焙烧复原法
• 2.1.3 离子交换法
• 2.2 本文中水滑石的制备
• 2.2.1 主要仪器和材料
• 2.2.2 材料的制备方法
• 2.2.3 材料的制备装置
• 2.3 材料的SEM分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 类水滑石去除水环境中低浓度磷的实验研究
• 3.1 实验仪器与方法
• 3.1.1 实验试剂及仪器
• 3.1.2 实验方法
• 3.1.3 检测和分析方法
• 3.2 试验结果
• 3.2.1 材料的性质
• 3.2.2 吸附动力学研究
• 3.2.3 pH对材料除磷效果的影响
• 3.2.4 剂量的影响
• 3.2.5 吸附等温线
• 3.2.6 无机共存阴离子对材料吸附的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 类水滑石去除水环境中低浓度磷的作用机理研究
• 4.1 外表面吸附
• 4.2 离子交换作用
• 4.3 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 本文主要结论
• 5.2 论文的创新点
• 5.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间科研成果