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業(yè)徑流進入水環(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。與其他技術相比,吸附法具有操作簡單、價格較低等諸多優(yōu)勢。然而,傳統(tǒng)的吸附劑存在吸附量較小、重復使用性差和難分離等缺陷。因此,開發(fā)新型有機和無機型吸附劑并用于去除水中磷酸鹽具有重要意義。在有機材料方面,水凝膠作為一種功能高分子材料,在環(huán)境領域引起廣泛關注,通過功能設計,可實現(xiàn)對磷的可控吸附。同時,在無機材料方面,零價鐵(Fe~0)具有無毒性、價格低廉的優(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計的水凝膠和活性鐵技術,開發(fā)系列有機和無機型吸附劑用于去除水中的磷,主要研究結果如下:(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、后的水凝膠進行表征。靜態(tài)吸附試驗結果表明,水凝膠的吸附量在pH=3時達到最大,水中共存SO_4~(2-)對磷酸鹽吸附有一定影響。準二級動力學模型和顆粒內擴散模型能較好地描述吸附動力學實驗結果,證明化學吸附和顆粒內擴散是PNIPAM/AA水凝膠對磷酸鹽吸附的限速步驟。Freundlich和Slips模型能夠較好地擬合吸附等溫線實驗結果,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理為靜電引力和鋁與磷酸鹽之間形成復合物。脫附與重復利用研究表明,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)吸附試驗結果表明,水凝膠的吸附量在pH=5時達到最大,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。吸附熱力學結果表明水凝膠吸附磷酸鹽是自發(fā)的吸熱過程。準一級動力學和顆粒內擴撒模型能較好地描述吸附動力學實驗結果,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反應主導的,且擴散是吸附過程的限速步驟。脫附與重復利用試驗表明,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理為內層絡合和配體交換。(3)用NO_3~-和Fe~(2+)預處理零價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)試驗再生與重復利用試驗表明,用0.1M的NaOH溶液可以實現(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�；钚澡F系統(tǒng)對磷的去除機理包括吸附、沉淀和共沉淀作用,且在活性鐵表面形成了鐵的磷的復合物。通過該方法有望在實際工程中進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)絡水凝膠,合成活性鐵復合PVA/AA水凝膠顆粒,用SEM、FTIR和XPS對復合水凝膠進行表征并將其用于吸附水中磷酸鹽。靜態(tài)吸附試驗結果表明,復合水凝膠的吸附量在pH=6時達到最大,SO_4~(2-)對磷酸鹽吸附有一定影響。準二級動力學模型和顆粒內擴散模型能較好地描述吸附動力學實驗結果,說明化學吸附和顆粒內擴散是活性鐵復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結果表明,單分子層吸附是活性鐵復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)四次脫附與重復利用研究表明,活性鐵復合水凝膠具有磷資源回收潛能,復合水凝膠對磷的吸附量為初始吸附量的78%至88%,高于單獨使用的活性鐵系統(tǒng)。
【學位單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：X703
【部分圖文】：

圖 1.2 全球磷資源產(chǎn)量預測圖[5]源的穩(wěn)定獲取與糧食安全、農業(yè)穩(wěn)定和環(huán)境保護息息相關。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，最終進入天然水體后也表現(xiàn)為一個較低此，從天然水體和污水中對磷進行去除和回收利用，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)狀全球磷儲量的逐漸消耗以及各國為控制水體污染都逐漸制訂了嚴這也促進人們開發(fā)了多種技術用于去除和回收污水中的磷[25]。本中報道的磷去除和回收技術。

華 中 科 技 大 學 博 士 學 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。該技術的難點在于：（1）排水中其他離子的干擾；（2）將磷從含有有機質和重金屬等有毒物質的混合體系離出來[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，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]。對于消化技術實現(xiàn)其中氮磷的釋放，也可以直接將獲藻類細胞是實際應用中的一個主要問題[34]。法系統(tǒng)中，有機物被微生物氧化，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到 82%并實現(xiàn)磷酸銨鎂。由于產(chǎn)氫過程中會陰極附近使溶液 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，會阻產(chǎn)電量。因此，該技術還有待進一步研究。

【參考文獻】

相關期刊論文 前6條

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本文編號：2826245