镧铁氧化物和氧化镧改性钢渣陶粒的制备及其除磷特性研究

作     者：白彩云 

作者单位：西安建筑科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张崇淼

授予年度：2019年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0815[工学-水利工程] 

主      题：镧铁复合氧化物 改性钢渣陶粒 吸附 除磷 再生 

摘      要：水体富营养化是城市生态文明建设中不容忽视的环境污染问题。磷是导致富营养化发生的主要因素,水体中磷含量超过20μg/L即可能发生富营养化。对于水中低浓度磷的去除,吸附法具有成本低廉、除磷效率高、操作简单和无二次污染等优点。钢渣是一种典型的工业废弃物,因其具有一定的吸附能力,常被作为吸附剂应用于水体除磷,然而却存在去除率低、难以回收利用的问题。本论文制备出改性钢渣陶粒作为新型的吸附剂,研究其对水中磷的吸附特性和除磷机理,并考察其再生性能,以期为钢渣的综合利用提供科学依据。本研究分别使用镧铁复合氧化物和氧化镧作为改性剂,以蒙脱石作为粘结剂,可溶性淀粉作为造孔剂,经高温焙烧制备出两种具有高效除磷性能的改性钢渣陶粒。优化改性钢渣陶粒原料组分配比和焙烧条件,采用扫描电镜-X射线能谱仪(SEM-EDS)、X射线粉末衍射仪(XRD)和比表面积及孔径分布测试仪(BET)对改性钢渣陶粒的化学组成和微观形貌进行表征分析。通过吸附实验,研究投加量、初始磷溶液浓度、p H值和共存离子等因素对改性钢渣陶粒除磷效果的影响,对吸附动力学和等温线模型进行拟合,并探讨除磷机理。通过溶剂再生法对饱和改性钢渣陶粒进行再生,考察经一次再生后的改性钢渣陶粒除磷能力。研究结果表明,原料中钢渣、改性剂、粘结剂和造孔剂的质量比为50:10:25:15时,1000℃焙烧30 min制得的改性钢渣陶粒具有良好的除磷性能,且不易破碎。与未改性钢渣陶粒相比,镧铁复合氧化物改性钢渣陶粒(LFSC)和氧化镧改性钢渣陶粒(LOSC)的表面呈现疏松多孔的微观结构,为改性钢渣陶粒吸附水溶液中的磷酸盐提供有利的孔隙和通道。LFSC和LOSC的表面都新增了La元素,LFSC表面的Fe元素含量增多,金属元素大都以金属氧化物或氢氧化物的形式存在。LFSC和LOSC的比表面积分别为5.677 m/g和6.148 m/g,较普通钢渣陶粒明显增大,有利于磷的吸附。使用LFSC和LOSC处理磷浓度为1.0 mg/L的水样,投加量为5 g/L,反应4 h后,去除率分别达到99.07%和98.29%。在p H 3～11范围内,LFSC和LOSC对磷的去除率均在90%以上。阴离子对改性钢渣陶粒除磷有不同程度的抑制作用,其中HCO的抑制作用较强,而Mg和Ca则有促进作用。准二级动力学模型能够较好地描述LFSC和LOSC对水溶液中磷的吸附过程。LFSC和LOSC对磷的吸附等温线都符合Langmuir等温吸附模型,吸附除磷后材料表面中出现磷元素的能谱峰且有La PO、Fe PO等磷酸盐沉淀生成,表明LFSC和LOSC主要是通过单分子层化学吸附和化学沉淀作用来实现磷的去除。采用1.5mol/L Na OH浸泡60 min,可以有效地再生吸附饱和的改性钢渣陶粒。再生后的LFSC和LOSC处理磷浓度为1.0 mg/L的水样,当投加量为5 g/L时,除磷率分别为98.51%和95.62%。