铁酸锌复合材料的制备及其在养殖尾水氮磷处理中的应用研究

作     者：国显勇 

作者单位：大连海洋大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴英海;王春彦

授予年度：2024年

学科分类：082803[工学-农业生物环境与能源工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：铁酸锌 氨氮 磷酸盐 牡蛎粉 养殖废水 

摘      要：随着养殖规模的增加,养殖尾水排放造成的环境污染问题也日益突显。未经有效处理排放到自然水体中,不仅会导致水体富营养化,甚至严重威胁生态系统安全及人类健康。氨氮（NH-N）和磷酸盐是富营养化水体的主要污染指标。目前富营养化水体治理的主要方法有生化法、物理法和化学法等,但这些方法存在成本高、操作复杂和二次污染等缺点。因此,如何高效治理与修复水体富营养化是目前研究的热点之一。铁酸锌（ZnFeO,ZF）由于其独特的磁性、光学性能、低成本和易回收等优点,在水处理中而备受广泛关注。因此本论文制备牡蛎粉（OSP）、ZF和新型铁酸锌-牡蛎粉复合材料（ZF-OSP）,探讨其对水体中NH-N和磷酸盐去除的性能和机制,为ZF在污水处理领域的应用提供理论基础。本论文主要研究内容及结果如下:1)采用溶胶-凝胶法制备ZF和不同质量比的新型ZF-OSP复合材料（ZF-OSP/3:1、ZF-OSP/2:1、ZF-OSP/1:1和ZF-OSP/1:2）,其对NH-N处理效果分别为19.4%、67.4%、81.9%、91.8%和35.3%,确定ZF-OSP复合材料最佳质量比为1:1。通过X-射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、高倍透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、振动样品磁强计（VSM）和紫外-可见-漫反射光谱（UV-VIS-DRS）等分析方法对OSP、ZF和新型ZF-OSP/1:1复合材料进行表征分析。数据表征结果显示ZF呈纳米球状并聚集在一起,粒径大为5-20 nm左右。在新型ZF-OSP/1:1复合材料中,Ca CO呈现层状结构,其表面较为粗糙。ZF和新型ZF-OSP/1:1复合材料的饱和磁化强度分别为7.5和6.8 emu/g,具有较高的磁性性能。ZF和新型ZF-OSP/1:1复合材料均匀分散在水溶液中5 min后,样品可以用永磁体快速分离。同时采用UV-VIS-DRS可知,ZF和新型ZF-OSP/1:1复合材料的光吸收边缘分别约为710 nm和703 nm,在紫外（λ=300-400 nm）和可见光区（λ400nm）表现出较强的吸收能力。2)采用OSP、ZF和新型ZF-OSP/1:1复合材料处理人工模拟养殖尾水中的NH-N。结果表明,当新型ZF-OSP/1:1复合材料在光照210 min的条件下,对NH-N降解率为91.8%,同时无NO-N和NO-N积累现象。对比实验显示,OSP对NH-N几乎无降解效果。而ZF纳米光催化剂在不改变原水pH值的条件下（pH值为6.2）对NH-N去除率仅为19.5%,去除效果较低。利用NaOH将pH值调节到11后,ZF纳米光催化剂对NH-N的降解率才能达到98.6%。可见,新型ZF-OSP/1:1复合材料摆脱对额外提供碱度的需求。进一步的研究表明,新型ZF-OSP/1:1复合光催化材料在光催化降解NH-N的过程中会产生h、·OH和·O活性物种。三种活性物质均参与NH-N的降解过程。3)探究OSP、ZF和新型ZF-OSP/1:1复合材料处理人工养殖尾水中的磷酸盐尾水吸附效果。研究发现,新型ZF-OSP/1:1吸附剂在吸附磷酸盐10 min后,磷酸盐剩余浓度为0.42 mg/L,吸附效率最快。对比实验显示,经过吸附30 min后,OSP对磷酸盐无明显吸附作用,ZF对磷酸盐的吸附率为93.4%。结合SEM、EDS、XRD、XPS和FT-IR等表征方法深入探究新型ZF-OSP/1:1复合材料对磷酸盐吸附机理。结果表明其对磷酸盐的吸附过程并非只受单一作用机制的影响,而是多种化学反应机制（主要包括化学沉淀和配位作用）共同作用的结果,最终将磷酸盐高效去除。