赤泥中提取硅制备镁改性硅酸钙及其去除水中氮磷研究

摘要

近年来随着工业和农业的发展，固体废物和生产污水的量不断增加。例如我国铝工业发展十分迅速，铝副产物赤泥的量也不断增加。赤泥的处理不当和随意堆放会导致环境污染。畜牧业的发展导致排出的废水量增加，废水中含有高浓度氮磷随意排放会导致水体富营养化。中国集约化畜禽养殖业水污染最高允许日均排放氨氮的浓度为80mg/L，磷的浓度为8mg/L。为了解决工业和畜牧业的问题。本文提出了一种利用赤泥中回收的二氧化硅制备一种镁改性硅酸钙材料同时去除畜牧业废水中氮磷的方法。既可以解决废物处理问题也可以去除废水中的污染物。研究内容如下:
　　(1)先将赤泥中的二氧化硅利用两次酸浸提取出来，与CaO进行高压水热反应。通过实验结果得出最佳配比为:n(Ca/Si)为1∶1.8，固液比为1∶30。在220℃的条件下水热反应16h，在120℃烘干8h，得到样品水合硅酸钙(CSH)。通过表征手段分析可知水合硅酸钙为硬硅钙石晶型。
　　(2)将水合硅酸钙(CSH)进行改进制成CSH@SiO2。最佳实验条件:固液比为1∶10，pH稳定在3左右。CSH@SiO2在水中1h释放钙离子能力被控制在54.90％，解决Ca2+对MgO同时去除氮磷的影响。而且可以将水的pH控制在8.5～10。
　　(3)再将CSH@SiO2上负载MgO(CSH@SiO2@MgO)，实验最佳配比为以摩尔比n(H2O)∶n(Mg(NO3)2·6H2O)∶n（柠檬酸）∶n(乙醇)=100∶9∶9∶2.1与0.6gCSH@SiO2混合。在水浴条件下搅拌6h，煅烧温度为500℃、600℃、700℃煅烧1h。氨氮和磷的去除率可以达到83.88％和93.87％。溶液的pH稳定在8.5左右。
　　(4)对这个复合材料进行改进，在保持原本的去除率的同时。也可以完全发挥CSH对磷的去除。改进原材料制备CSH@MgO的核壳材料(CMCS)来解决这个问题。最佳实验配比:将0.6g的CSH与40mL葡萄糖(5mol)水热，在180℃条件下反应9h，在50℃烘干。将得到的棕色样品放入流速为25mL/s的惰性气体中500℃碳化4h，得到包裹了碳层的CSH。通过表征方式得出，碳完美的包裹在CSH外部形成层，变成一个圆润的球。
　　(5)根据之前的实验最佳配比将以摩尔比:n(H2O)∶n(Mg(NO3)2·6H2O)∶n(柠檬酸)∶n(乙醇)=100∶9∶9∶2.1与0.6g包裹碳层的CSH混合。500℃、600℃、700℃煅烧1h，得到氧化镁复合硅酸盐核壳材料(CMCS)。将CMCS进行了同时氮磷的性能测试，氨氮和磷的去除率为76.63％和87.18％。两种材料的去除率相似，如果随着时间的增加CMCS磷的去除率也会增加。它的优势也会体现出来。
　　(6)接下来将这两种材料去除氮磷后进行了化学再生。1mol盐酸与去除氮磷后的样品，固液比1∶5进行5min的再生处理，再生次数为5次。在两种再生模式下，再生后同时去除氮磷的效率可以达到73.51％和80.86％。反应后的固体中氮磷的脱附率为88％和80％。为材料循环再生利用提供了可能。
　　(7)采用了各种表征的手段将CSH@SiO2@MgO和CMCS的形态和成分进行了分析，和同时去除水中氮磷的机理进行研究。结果表明，CSH@SiO2@MgO和CMCS都利用了化学沉淀去除，而且在去除的过程中都可以自我调节适宜的反应条件。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 畜牧业废水的现状

1．1．1 水体富营养化成因

1．1．2 水中氮磷的来源

1．1．3 畜牧业废水的水质特点

1．1．4 目前解决畜牧业废水污染对策

1．2 水中氨氮的去除方法

1．2．1 物理法

1．2．2 化学法

1．2．3 生物法

1．3 去除水中磷酸盐的方法

1．3．1 物理法

1．3．2 化学法

1．3．3 生物法

1．4 赤泥综合利用现状

1．4．1 赤泥的产生及危害

1．4．2 赤泥回收利用

1．5 论文研究目的意义和内容

1．5．1 论文的研究目的和意义

1．5．2 论文的主要研究内容

第2章 实验材料与方法

2．1．1 实验试剂和实验材料

2．1．2 实验仪器

2．2 材料表征方法及原理

2．2．1 X射线荧光光谱(XRF)

2．2．2 X射线衍射(XRD)

2．2．3 X射线光电子能谱(XPS)

2．2．4 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)

2．2．5 比表面积(BET)

2．2．6 扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱仪(SEM、EDX)

2．2．7 热重分析

2．3 钙离子含量的测定

2．4 氮磷浓度的测定

2．4．1 氨氮浓度测定

2．4．2 磷浓度测定

第3章 硅酸钙与氧化镁的制备及其去除氮磷性能研究

3．1 引言

3．2 赤泥浸渍回收二氧化硅

3．2．1 赤泥化学组分分析

3．2．2 试验设计

3．2．3 酸浸渣分析

3．3 水合硅酸钙及氧化镁的制备

3．4 水合硅酸钙及氧化镁的表征分析

3．4．1 X射线衍射

3．4．2 FTIR分析

3．5 水合硅酸钙及氧化镁去除水中氮磷的性能

3．6 本章小结

第4章 CSH@SiO2@MgO的制备及去除氮磷性能研究

4．1 引言

4．2．3 CSH@SiO2@MgO的制备

4．2．4 CSH@SiO2@MgO同时去除氮磷实验和再生实验

4．3．1 X射线衍射与X射线光电能谱分析

4．3．2 比表面积与傅里叶转变红外光谱分析(FTIR)

4．3．3 扫描电镜与热重分析

4．4 CSH@SiO2@MgO同时去除氮磷性能及机理

4．4．1 CSH@SiO2@MgO同时去除氮磷性能条件优化

4．4．2 CSH@SiO2@MgO同时去除氮磷的机理

4．5 CSH@SiO2@MgO循环再生实验

4．6 本章小结

第5章 CMCS的制备及其去除氮磷性能研究

5．1 引言

5．2 CMCS复合材料的制备过程

5．2．1 CSH的制备

5．2．2 CSH@C的制备

5．2．3 CMCS的制备

5．2．4 CMCS同时去除氮磷实验和再生实验

5．3 CMCS的表征结果分析

5．3．1 X射线衍射和X射线光电子能谱分析

5．3．2 比表面积和傅里叶变换红外光谱分析

5．3．3 扫描电镜、热重分析和能量色散X射线光谱仪

5．4 CMCS同时去除氮磷性能及原理

5．4．1 不同条件下CMCS同时去除氮磷性能

5．4．2 CMCS同时去除氮磷的机理

5．5 CMCS循环再生实验

5．6 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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