环境友好天然火山灰/海藻酸钠复合微球材料吸附行为研究

摘要

磷是造成水体富营养化的关键因素,废水除磷对控制收纳水体富营养化有实际意义。传统生物法、化学法等对高浓度含磷废水去除效果明显,吸附法作为一种从低浓度溶液中去除特定溶质的高效低耗方法,在废水除磷领域备受关注。天然火山灰材料含有Fe2O3、Al2O3、SiO2、CaO等多种除磷组分,如何有效吸附去除水体中磷的研究鲜有报道。
　　 为克服火山灰材料实际应用过程中存在的“泥水”分离困难的问题,本研究采用海藻酸钠作为包裹载体包埋火山灰粉末,制成火山灰/海藻酸钠复合微球。分析了火山灰/海藻酸钠复合微球材料的物理以及化学性质,讨论材料投加量、接触时间、初始溶液Ph值、初始磷溶液浓度、温度等对磷的去除效果的影响,得出材料的最佳吸附条件。分别对比三种不同干燥方式下制得的火山灰/海藻酸钠复合微球的物化性质以及除磷性能,从而得出材料制备的最佳干燥方式。最后通过吸附动力学、吸附热力学实验进一步探讨了火山灰/海藻酸钠复合微球对含磷废水的吸附特征,结合火山灰材料包裹前后化学结构等性质的变化,初步探讨了复合材料的除磷机理。研究结果表明:
　　 (1)1.5g火山灰/海藻酸钠复合微球材料投加于10m-L,15mg/L的磷酸盐溶液中,设置初始溶液Ph为3～6,在200rpm的动态条件下反应7h,反应去除率能够达到92.0%～97.3%。在初始磷溶液Ph为6时,吸附后水体中溶出的金属离子浓度较低。
　　 (2)传统干燥、微波干燥和冷冻干燥制得的复合微球用于水中磷酸根离子的去除时,其吸附性能基本一致,由于微波干燥操作简单快捷,能耗小,成本低,故微波干燥是最佳的干燥方法。
　　 (3)吸附动力学和吸附热力学分析结果表明:准二级动力学方程能更好的描述复合微球材料的吸附过程;用Langmuir吸附等温模型描述材料吸附行为是可行的;△G<0,表明火山灰/海藻酸钠复合微球材料吸附除磷过程是自发的;△H/>0表明吸附过程为吸热反应,升高温度,除磷效率增加;AS数值表明在磷酸盐的固液吸附界面上发生熵增过程,体系混乱度增加。
　　 (4)火山灰材料包裹于海藻酸钠后形成的复合微球,其红外吸收光谱特征峰由1009cm-1变为1032cm-1,固体紫外吸收光谱特征峰由原先240nm变为206nm和290nm。火山灰经过固载化后,其组分结构发生了改变,形成了能与磷酸盐产生特异性结合的稳定活性位点,除磷过程为化学吸附。
　　 本论文创新地提出了一种改善原始火山灰材料吸附除磷特性的方法,即将海藻酸钠作为一种介质,包裹火山灰后形成火山灰/海藻酸钠复合微球并将其用于水体中磷酸根的吸附,实验结果表明复合微球材料能够在中性条件下保持较高的除磷效果,克服了原始火山灰材料只能在强酸性条件下使用的缺陷,同时避免了各类离子溶出造成的二次污染。火山灰/海藻酸钠复合微球具有易于沉降、除磷效果明显、出水水质好、环境友好、成本低廉等优点。因此,本研究工作为天然矿物材料的资源化应用提供了理论基础与新的途径,对于开发天然资源用于水环境保护具有积极的意义。