磁性类水滑石的制备及吸附回收污水中磷的研究

摘要

磷资源短缺与磷污染导致的水体富营养化之间的矛盾，使人们对污水中磷的研究从去除转为回收。本文基于吸附法回收污水中磷存在污水中悬浮物浓度过高会累积并堵塞固定床吸附剂床层，而采用流化床装置，其吸附剂的回收困难等问题，研究将类水滑石化合物负载在磁性载体上，合成一种磷吸附性能良好的磁性吸附剂，并可用磁分离技术加以回收。
　　本文首先以在微米级四氧化三铁粉末表面共沉淀的方法制备了一系列磁性类水滑石化合物，并研究了他们对污泥脱水液中磷酸根的吸附性能。实验表明，Zn/Al摩尔投料比2:1，制备温度70℃、共沉淀剂为NaOH（20％）、陈化时间为6h及焙烧温度为300℃时制得的磁性Zn-Al类水滑石（Zn-Al-300）对城市污水处理厂污泥脱水液中磷酸盐的吸附效果最好。
　　表征分析表明本文所合成的化合物是四氧化三铁磁核处于高度分散状态的的磁性类水滑石，可采用磁分离技术加以分离和回收，其焙烧产物可有效吸附污水中的磷酸根，在吸附剂表面形成一种混合磷酸盐晶体；磁性Zn-Al类水滑石的热分解过程分两个阶段：第一个热分解阶段对应着吸附水、层间水的脱除以及部分羟基、碳酸根离子、氯离子等其他阴离子的脱除；第二个热分解阶段对应着残余层板羟基及层间阴离子的脱除。
　　本文进一步研究了磁性Zn-Al-300吸附剂吸附污水中磷的影响因素，研究表明：在pH6-9范围内吸附剂磷吸附效果较好；随初始磷浓度的升高，吸附剂磷吸附量增大污水中磷去除率有所降低；对磷浓度分别为20.8mg·L-1和36.7mg·L-1的污泥脱水液，在吸附剂投加量分别为0.75g·L-1和1.75g·L-1时磷去除率达到100%。此外，振荡可使吸附作用加快，振荡吸附24h基本达到吸附平衡。
　　该吸附剂吸附污泥脱水液中磷酸盐的吸附动力学方程拟合效果表现为假二级动力学方程>叶洛维奇方程>假一级动力学方程；吸附等温线符合Langmuir模型。磁性Zn-Al-300吸附剂对几种常见阴离子的吸附选择性表现为：CO32-＞SO42-＞NO3-＞Cl-。吸附剂的解吸采用7% NaOH溶液，其磷解吸率达91.4%，吸附剂的再生采用焙烧法。对于富集磷酸盐后的解吸液，按照Ca/P摩尔比2.2投加无水氯化钙时水中的磷几乎被沉淀完全。
　　夹套式磁分离反应器连续流实验结果显示，该吸附剂对污泥脱水液中磷的吸附量较静态实验时低，为保证出水处理效果及达标情况，反应器宜采用多级处理。吸附剂反复使用五次后，再生率仍高达55.3%，通过向解吸废液中投加NaOH可将解吸液循环使用；确立了除磷-吸附剂解吸再生-磷回收这一三段式磷回收整体工艺路线。

目录

磁性类水滑石的制备及吸附回收污水中磷的研究

SYNTHESIS OF MAGNETIC HYDROTALCITE-LIKE COMPOUNDS AND RESEARCH ON THE PHOSPHATE REMOVAL AND RECOVERY FROM WASTEWATER

摘要

Abstract

目录

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题背景

1.2.1 水污染及水体富营养化

1.2.2 磷资源概况及磷回收的必要性

1.3 污水除磷及回收磷的国内外研究现状

1.3.1 化学沉淀法

1.3.2 结晶法

1.3.3 离子交换法

1.3.4 电解法

1.3.5 膜技术法

1.3.6 电渗析法

1.3.7 生物法

1.3.8 吸附法

1.4 类水滑石简介

1.4.1 类水滑石的制备方法

1.4.2 类水滑石的结构与组成

1.4.3 类水滑石的物理化学性质

1.4.4 类水滑石在环境保护中的应用

1.5 磁分离技术及其在水处理中的应用

1.5.1 磁分离技术的原理

1.5.2 磁分离技术在污水处理中的应用

1.6 本课题研究的目的、意义及主要内容

1.6.1 本课题研究的目的及意义

1.6.2 本课题研究的主要内容

第2章 实验材料及方法

2.1 实验所需的试剂

2.2 实验常用仪器设备

2.3 实验中使用的含磷废水

2.4 实验常用参数及分析方法

2.5 磁分离反应器的设计

2.5.1 磁分离反应器的材料

2.5.2 磁分离反应器的结构

2.5.3 磁分离反应器的尺寸

2.5.4 磁分离反应器连续流实验

2.6 实验方法

2.6.1 吸附剂的制备

2.6.2 吸附剂的表征

2.6.3 静态吸附实验

2.6.4 动态吸附实验

第3章 磁性类水滑石磷吸附剂的制备及表征

3.1 金属组成对磁性类水滑石磷吸附效果的影响

3.2 Zn/Al摩尔投料比对磁性类水滑石磷吸附效果的影响

3.3 制备温度对磁性Zn-Al类水滑石磷吸附效果的影响

3.4 共沉淀剂对磁性Zn-Al类水滑石磷吸附效果的影响

3.5 陈化时间对磁性Zn-Al类水滑石磷吸附效果的影响

3.6 焙烧温度对磁性Zn-Al类水滑石磷吸附效果的影响

3.7 磁性吸附剂的结构表征

3.7.1 晶体结构分析

3.7.2 特征结构分析

3.7.3 热性能分析

3.7.4 表面形貌及EDS能谱分析

3.8 本章小结

第4章 磁性Zn-Al类水滑石吸附水中磷的影响因素及磷吸附性能

4.1 水样pH的影响

4.2 吸附形式的影响

4.3 初始磷浓度的影响

4.4 吸附剂投加量的影响

4.5 吸附动力学研究

4.6 吸附等温线研究

4.7 吸附选择性研究

4.8 吸附剂的解吸和再生

4.9 磷回收方案及参数优化

4.10 本章小结

第5章 磁性类水滑石吸附水中磷的连续流实验研究

5.1 磷吸附连续流实验

5.1.1 吸附剂投加量的确定

5.1.2 磷吸附连续流实验

5.2 吸附剂的解吸及再生

5.3 磷回收研究

5.4 解吸液的回用研究

5.5 吸附剂再生及使用寿命

5.6 磷回收工艺路线的建立

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理

致谢