铝钙铁复合氧化物除磷吸附剂的制备及其性能研究

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磷是引起水体富营养化的主要因素,课题组前期的研究表明,采取天然材料或工业废渣作为除磷吸附剂对磷元素具有较好的去除效果,但难以再生和最终处置。研究还发现天然材料和工业废渣中对磷吸附起主要作用的是Al、Ca和Fe的金属氧化物,故本研究以地壳中普遍存在的天然材料——Al、Ca和Fe的氧化物作为原材料,经过混合——成型——煅烧的方法制备出一种新型粒状多孔金属氧化物型吸附剂,并确定了其最佳吸附性能和强度对应的原料质量比和焙烧温度。在比较了多种因素对优选吸附剂除磷性能影响的基础之上,进一步研究了其相关吸附动力性、等温线和热力学特性,并更深入探讨了其对磷的去除机理。以下为本论文的主要研究成果:1、复合金属氧化物型吸附剂的制备步骤包括原料混匀、造粒成型、70℃干燥、中温预热、高温焙烧、冷却至常温。金属氧化物的原始质量比对其成品吸附剂的吸附性能具有较大影响,其中Al/Ca/Fe型吸附剂的吸附性能最强,Al/Fe型其次,Ca/Fe型最弱,起吸附作用的主要为氧化铝和氧化钙,氧化铁主要起促进颗粒黏结成型的作用。另外,焙烧温度越高,吸附剂的强度越大,Al/Fe型和Al/Ca/Fe型两种吸附剂在具有最高吸附性能时的最低焙烧温度分别为900℃和1150℃。2、在三种温度(4、20、30℃)条件下,Al/Fe型和Al/Ca/Fe型两种吸附剂对磷的吸附容量均随着磷浓度的增加而增大,且温度对吸附容量影响较小。粒径对两种吸附剂吸附性能影响不同。Al/Fe型吸附剂随着粒径的增大,吸附性能增强,主要由于其吸附过程为多层吸附,内部传质扩散不同而导致的;而对于Al/Ca/Fe型吸附剂,随着其粒径的增大,吸附性能减弱,主要由于粒径越小,比表面积越大的缘故。溶液pH值对两种吸附剂除磷性能均有较大影响。当2<pH<6时,两种吸附剂的吸附容量均随着pH值的升高迅速增大;当pH≥6时,随着pH值增大两种吸附剂的吸附容量均呈下降趋势。3、Al/Fe型和Al/Ca/Fe型两种吸附剂对磷的吸附过程既符合伪一级动力学方程,又符合伪二级动力学方程。另外,其吸附过程对三种等温线方程(Freundlich、Langmuir和BET等温线模型)均具有较高的相关性(R2≥0.90),表明物理吸附和化学吸附均起主导吸附作用。经热力学分析发现,两种吸附剂的吸附过程均有ΔG<0,说明其对磷的吸附是自发的。另外,对于Al/Fe型吸附剂,ΔH=-3.95,其对磷的吸附为放热反应,吸附过程以物理吸附为主;对于Al/Ca/Fe型吸附剂,ΔH=9.92,其对磷的吸附为吸热反应,但由于其数值处于临界值,所以吸附过程中物理吸附和化学吸附均起主要作用。
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