磷是一種不可再生資源。每年有過量的磷通過污水排放和農(nóng)業(yè)徑流進(jìn)入水環(huán)境造成水體富營養(yǎng)化,迫切需要一種用于高效去除和回收水中磷的技術(shù)。與其他技術(shù)相比,吸附法具有操作簡單、價(jià)格較低等諸多優(yōu)勢。然而,傳統(tǒng)的吸附劑存在吸附量較小、重復(fù)使用性差和難分離等缺陷。因此,開發(fā)新型有機(jī)和無機(jī)型吸附劑并用于去除水中磷酸鹽具有重要意義。在有機(jī)材料方面,水凝膠作為一種功能高分子材料,在環(huán)境領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注,通過功能設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)對磷的可控吸附。同時(shí),在無機(jī)材料方面,零價(jià)鐵(Fe~0)具有無毒性、價(jià)格低廉的優(yōu)勢,并能高效去除多種污染物,其中,活性鐵系統(tǒng)(主要成分為Fe~0、Fe_3O_4和Fe~(2+))可克服零價(jià)鐵使用過程中的鈍化問題,然而目前尚沒有其對水中磷的去除與回收的系統(tǒng)研究。本研究旨在基于功能設(shè)計(jì)的水凝膠和活性鐵技術(shù),開發(fā)系列有機(jī)和無機(jī)型吸附劑用于去除水中的磷,主要研究結(jié)果如下:(1)合成了一種基于N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)和海藻酸鋁(AA)的新型互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠(PNIPAM/AA)顆粒,將其用于吸附水中磷酸鹽,并用SEM、FTIR和XPS對吸附前、后的水凝膠進(jìn)行表征。靜態(tài)吸附試驗(yàn)結(jié)果表明,水凝膠的吸附量在pH=3時(shí)達(dá)到最大,水中共存SO_4~(2-)對磷酸鹽吸附有一定影響。準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型和顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型能較好地描述吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,證明化學(xué)吸附和顆粒內(nèi)擴(kuò)散是PNIPAM/AA水凝膠對磷酸鹽吸附的限速步驟。Freundlich和Slips模型能夠較好地?cái)M合吸附等溫線實(shí)驗(yàn)結(jié)果,證明非均勻的多分子層吸附是PNIPAM/AA水凝膠吸附磷酸鹽的主要形式。水凝膠對磷酸鹽的吸附機(jī)理為靜電引力和鋁與磷酸鹽之間形成復(fù)合物。脫附與重復(fù)利用研究表明,PNIPAM/AA水凝膠具有磷資源回收潛能,對磷的吸附量能夠穩(wěn)定保持在初始吸附量的85%左右。(2)為了強(qiáng)化水凝膠對磷的吸附,引入對磷酸鹽具有較好親和性的鋯,并考慮回收特性引入磁性Fe_3O_4粒子,以來源廣泛、價(jià)格低廉的殼聚糖(CS)和聚乙烯醇(PVA)為載體,合成了磁性載鋯殼聚糖/聚乙烯醇互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠(Zr-CS/PVA)顆粒,用于吸附水中磷酸鹽。采用了SEM、XRD、VSM、FTIR和XPS表征水凝膠。靜態(tài)吸附試驗(yàn)結(jié)果表明,水凝膠的吸附量在pH=5時(shí)達(dá)到最大,且對磷酸鹽表現(xiàn)出一定的選擇性吸附能力。吸附等溫線結(jié)果表明單分子層吸附是磁性Zr-CS/PVA水凝膠吸附磷酸鹽的主要形式。吸附熱力學(xué)結(jié)果表明水凝膠吸附磷酸鹽是自發(fā)的吸熱過程。準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)和顆粒內(nèi)擴(kuò)撒模型能較好地描述吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,說明磁性Zr-CS/PVA水凝膠對磷酸鹽的吸附過程是由表面化學(xué)反應(yīng)主導(dǎo)的,且擴(kuò)散是吸附過程的限速步驟。脫附與重復(fù)利用試驗(yàn)表明,磁性Zr-CS/PVA水凝膠有望從水環(huán)境中回收磷,對磷的吸附量能夠穩(wěn)定保持在初始吸附量的98%左右。水凝膠對磷酸鹽的吸附機(jī)理為內(nèi)層絡(luò)合和配體交換。(3)用NO_3~-和Fe~(2+)預(yù)處理零價(jià)鐵制備了活性鐵系統(tǒng),并考察了其對磷的去除效果。用SEM、XRD、VSM、BET、FTIR和XPS表征了活性鐵顆粒和鐵銹。結(jié)果顯示,系統(tǒng)中Fe~0、Fe_3O_4和Fe~(2+)對去除磷酸鹽具有協(xié)同作用,活性鐵系統(tǒng)對磷的去除量很大,共存的陰離子和天然有機(jī)物對除磷效果影響很小。外加的Fe~(2+)在活性鐵系統(tǒng)除磷過程中起到重要作用。四次連續(xù)試驗(yàn)再生與重復(fù)利用試驗(yàn)表明,用0.1M的NaOH溶液可以實(shí)現(xiàn)磷酸鹽的釋放,活性鐵系統(tǒng)對磷的去除量為初始的73%左右。活性鐵系統(tǒng)對磷的去除機(jī)理包括吸附、沉淀和共沉淀作用,且在活性鐵表面形成了鐵的磷的復(fù)合物。通過該方法有望在實(shí)際工程中進(jìn)行低成本且有效地去除和回收磷。(4)通過包埋法將活性鐵顆粒引入聚乙烯醇/海藻酸鋁(PVA/AA)互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠,合成活性鐵復(fù)合PVA/AA水凝膠顆粒,用SEM、FTIR和XPS對復(fù)合水凝膠進(jìn)行表征并將其用于吸附水中磷酸鹽。靜態(tài)吸附試驗(yàn)結(jié)果表明,復(fù)合水凝膠的吸附量在pH=6時(shí)達(dá)到最大,SO_4~(2-)對磷酸鹽吸附有一定影響。準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型和顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型能較好地描述吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,說明化學(xué)吸附和顆粒內(nèi)擴(kuò)散是活性鐵復(fù)合水凝膠對磷酸鹽吸附的限速步驟。吸附等溫線和吸附熱力學(xué)結(jié)果表明,單分子層吸附是活性鐵復(fù)合水凝膠吸附磷酸鹽的主要形式,且吸附為自發(fā)的吸熱過程。連續(xù)四次脫附與重復(fù)利用研究表明,活性鐵復(fù)合水凝膠具有磷資源回收潛能,復(fù)合水凝膠對磷的吸附量為初始吸附量的78%至88%,高于單獨(dú)使用的活性鐵系統(tǒng)。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：X703
【部分圖文】：

圖 1.2 全球磷資源產(chǎn)量預(yù)測圖[5]源的穩(wěn)定獲取與糧食安全、農(nóng)業(yè)穩(wěn)定和環(huán)境保護(hù)息息相關(guān)。然而磷可持續(xù)循環(huán)的單一解決方法[6]。由 1.2.1 所述可知，絕大多數(shù)流及畜禽養(yǎng)殖過程中流失，并產(chǎn)生面源污染。通過技術(shù)手段，對這有效回收利用，可以從根本上解決磷的可持續(xù)性開發(fā)使用問題。流失過程中很難被捕獲，最終進(jìn)入天然水體后也表現(xiàn)為一個(gè)較低此，從天然水體和污水中對磷進(jìn)行去除和回收利用，不但能減少種新的磷資源供給方式，對糧食安全和價(jià)格穩(wěn)定亦具有重要意義水中磷去除與回收研究現(xiàn)狀全球磷儲(chǔ)量的逐漸消耗以及各國為控制水體污染都逐漸制訂了嚴(yán)這也促進(jìn)人們開發(fā)了多種技術(shù)用于去除和回收污水中的磷[25]。本中報(bào)道的磷去除和回收技術(shù)。

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文2/O 工藝、氧化溝工藝、SBR 工藝、CAST 工藝和 UCT 工藝等。在這類工藝中也可以實(shí)現(xiàn)磷的回收。以 A2/O 工藝為例，如圖 1.2 所示。通常污水處理廠的磷濃度較低（10 mg/L 左右），然而，含磷濃度較高的污水更適合收[26]。為了解決這個(gè)問題，可以收集使用磷濃度較高的厭氧消化上清液（A）、消化液（B）和污泥脫水濾出液（C）用于磷回收。該技術(shù)的難點(diǎn)在于：（1）排水中其他離子的干擾；（2）將磷從含有有機(jī)質(zhì)和重金屬等有毒物質(zhì)的混合體系離出來[27]。此外，剩余污泥以（①）及焚燒后的污泥（②）中也含有豐富的磷報(bào)道將其直接用于肥料，然而，由于含有重金屬、病原體和其他有害物質(zhì)，目很多國家已被禁止使用[28]。

量可以占到藻類生物量干重的 3.3%[32, 33]。對于消化技術(shù)實(shí)現(xiàn)其中氮磷的釋放，也可以直接將獲藻類細(xì)胞是實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)主要問題[34]。法系統(tǒng)中，有機(jī)物被微生物氧化，產(chǎn)生的電子傳 pH 較高，磷能和水中的 Mg2+和 NH4+生成 Mg如圖 1.4 所示。Cusick 等[35]在單極室微生物染磷的去除率最佳可以達(dá)到 82%并實(shí)現(xiàn)磷酸銨鎂。由于產(chǎn)氫過程中會(huì)陰極附近使溶液 pH 值。Zang 等[36]用了類似的系統(tǒng)回收尿液中的氮和。然而，磷酸銨鎂在陰極電極表面沉淀后，會(huì)阻產(chǎn)電量。因此，該技術(shù)還有待進(jìn)一步研究。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

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2 柳飛;張延一;嚴(yán)玉鵬;劉凡;譚文峰;劉名茗;馮雄漢;;不同結(jié)構(gòu)有機(jī)磷在(氫)氧化鋁表面的吸附與解吸特征[J];環(huán)境科學(xué);2013年11期

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相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 韓飛超;聚苯乙烯球體基水合氧化錳復(fù)合材料的研制及其強(qiáng)化除磷性能[D];南京大學(xué);2014年

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本文編號：2826245