水化硅酸钙的除磷及磷回收特性研究

摘要

磷既是造成水体富营养化的重要因素，也是一种不可再生且不可替代的资源。开发和研究与污水处理过程匹配的磷回收材料，已成为资源环境领域亟待解决的问题。现有研究表明，具有多孔结构的水化硅酸钙材料通过释放钙离子和氢氧根离子，吸附溶液中磷酸盐，可以形成有利于羟基磷酸钙生成的微环境，促进高品质磷回收。基于以上背景，本试验以电石渣钙质材料和白炭黑硅质材料作为原料，研究适用于磷回收的具有多孔结构和缓释特性的水化硅酸钙材料制备方法，并初步探讨了该水化硅酸钙的除磷性能以及磷回收性能，实验结果表明：
　　 ①以钙硅摩尔比为1.8、反应时间为4.5h、反应温度为170℃、搅拌速率为90r/min的条件下制备的水化硅酸钙结构酥松，材料表面分布有较多的孔隙，水化硅酸钙的孔结构、平均孔径及比表面积最大，比表面积为121.03 m2·g-1，总孔孔容为0.65 cm3·g-1，平均孔径为21.49 nm，且溶钙能力最强，溶出钙离子浓度为12.87mg/L。并在此条件下制备的水化硅酸钙除磷效果最好，残留磷浓度仅为1.16mg/L，除磷效率为98.84％。结合以4因素4水平的正交试验表明，最佳合成条件与单因素试验一致，通过极差分析，钙硅摩尔比为主要影响因素。
　　 ②将最佳工艺条件下制备的水化硅酸钙用于除磷试验，以反应时间、搅拌强度、溶液的pH值、初始磷浓度以及材料投加量作为除磷影响因素，结果表明水化硅酸钙在反应时间为60min、搅拌强度为40r/min、pH值为8.5、初始磷浓度为100mg/L、投加量为4g/L具有最佳的除磷性能，除磷效率达到98.84％。
　　 ③通过对各种含钙材料除磷性能的对比发现，除磷能力大小依次为：水化硅酸钙>雪硅钙石>白云石，其除磷效率分别为98.84％、86.14％和51.68％。并考察了各种含钙材料的磷回收性能，通过材料的重复除磷试验发现，雪硅钙石在除磷10次后，沉积物中磷含量为11.46％，白云石除磷3次后，沉积物中磷含量仅为2.59％，水化硅酸钙重复利用15次以后，沉积物中磷含量达到17.59％，具有较好的磷回收性能，并进一步对除磷前后的水化硅酸钙材料进行了X射线衍射XRD图谱分析和红外光谱FTIR分析，发现溶液中的磷主要生成了羟基磷灰石并嵌入在水化硅酸钙中。结合各种含钙材料的BET分析和SEM分析可知，水化硅酸钙的比表面积、总孔孔容以及平均孔径相比而言最大，分别为121.03 m2·g-1、0.65 cm3·g-1和21.49nm，这种酥松的孔隙结构既能使材料具有较强的溶钙供碱特性，又使材料具有一定的强度，不至于塌陷，可作为富集磷酸盐的载体。