疏浚底泥-大理石废粉烧胀陶粒的制备及其对水中磷的吸附性能研究

作     者：梁标 

作者单位：广西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙桂凯

授予年度：2021年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081702[工学-化学工艺] 080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：疏浚底泥 大理石废粉 固废利用 烧胀陶粒 除磷 

摘      要：随着我国社会经济的快速发展,大量工农业废水的排放导致河道污染日益严重,由此产生的疏浚底泥日益增多;大理石产业是广西重点打造的千亿元产业之一,每年产生约80万吨大理石废粉。疏浚底泥和大理石废粉若得不到合理的处理与处置,会对环境造成严重污染,因此,实现疏浚底泥和大理石废粉的资源化利用是当前急需解决的环保问题。本文以古桂柳运河疏浚底泥(DSⅠ和DSⅢ)以及大理石废粉(MWP)为对象,开展了烧胀型陶粒的制备,并将所制备陶粒应用于水中磷的去除研究中。通过正交试验,分别确定了制备高效除磷陶粒滤料(DMCP)和高强建筑轻集料(DMCC)的最佳原料配比和工艺参数,并对其进行了部分性能测试与表征;设计静态吸附试验研究不同因素对陶粒吸附磷性能的影响;通过对比陶粒吸附磷前后的物相、官能团及元素变化进一步分析其除磷机制;并通过陶粒动态吸附柱应用试验,分析其在工程应用中的发展潜能。主要研究结论如下:(1)确定了制备高效除磷陶粒滤料(DMCP)的最佳原料配比为DSⅠ:DSⅢ:MWP=2:1:0.8,工艺参数为预热温度400℃、预热时间10min、焙烧温度1060℃、焙烧时间10 min,其除磷率为99.85%,堆积密度为696.29 kg·m,空隙率为52.23%,吸水率为33.42%,抗压强度为2.37 MPa,破碎率于磨损率之和为4.12%,盐酸可溶率为1.56%,比表面积为2.06 m·g,这些指标均符合《水处理用人工陶粒滤料》(CJ/T299-2008)标准;此外还确定了制备高强建筑轻集料(DMCC)的最佳原料配比为DSⅠ:DSⅢ:MWP=2:1:0.8,工艺参数为热温度400℃、预热时间5 min、预焙烧温度1180℃、焙烧时间15 min,其堆积密度为1080.35 kg·m,吸水率为1.5%,抗压强度为25.53 MPA,这些指标满足《轻集料及其试验方法第1部分:轻集料实验方法》(GB/T 17431.2-2010)中符合高强轻集料要求;(2)根据DMCP烧胀前后的XRD分析可知,其方解石主峰消失,出现了Ca O、Ca(OH)和Mg O三种物质的新衍射峰;BET和SEM分析表明DMCP内部结构以介孔为主;对比烧胀前后陶粒的元素变化,发现烧胀后陶粒中C、O含量减少,可交换Fe、Mg、Ca离子的含量得到提高。DMCP的表征初步表明了其对磷的高效去除吸附过程中存在着物理吸附和化学吸附过程。(3)静态吸附试验表明,随着DMCP用量的增加,溶液中磷的去除率上升而吸附量减小;随着溶液初始磷浓度的升高,DMCP对磷的去除率下降而吸附量增加;干扰离子SO、CO的存在对DMCP的除磷效果有一定的抑制作用;在溶液初始p H值在2～12范围时,DMCP对磷去除率均能维持在99%以上。(4)在动力学模型中准二级动力学模型拟合程度最高;Langmuir、Freundlich和Tempkin三种吸附等温模型均能很好地描述DMCP对磷的吸附过程;热力学分析表明DMCP对磷的吸附为自发进行,其吸附反应属于吸热反应;Arrhenius公式具有很高的拟合度,表明DMCP吸附过程以化学吸附为主,同时存在一定的物理吸附。根据DMCP吸附前后的p H变化、FTIR、XRD和EDS分析对比可知,DMCP对磷的吸附过程存在表面静电吸附、配位交换与化学沉淀的作用,主要以配位交换与化学沉淀相结合。(5)动态吸附柱实验中,DMCP对磷的动态吸附性能随着其高度的增加而提高,随着进水流速的升高而降低;在以DMCP作为吸附剂的吸附柱,吸附效率最高可达88.12%,表明以DMCP为吸附剂应用于动态连续式吸附工程中具备一定发展潜能。