赤泥复合材料的制备及其磷酸盐吸附性能的研究

作     者：陶乐瑶 

作者单位：东莞理工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：陈忠明;艾邵英

授予年度：2024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] 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）] 080502[工学-材料学] 

主      题：赤泥 复合材料 吸附 磷酸盐 

摘      要：磷在人类生产生活中起着不可替代的作用,几乎所有的生物代谢都需要磷的参与。随着人类工农业活动发展,磷的过度排放导致水体富营养化加剧。另一方面,磷是一种有限的不可再生资源。因此,从含磷废水中去除和回收磷的过程具有可持续发展的重要意义。相对于生物法和化学法,吸附法是一种可以同时去除和回收磷的有效方法,具有低成本、操作简单、选择性高等优势,开发一种低成本高吸附性能的磷吸附剂备受国内外学者关注。特别是利用低成本、有效的行业副产品作为制备吸附剂的原材料成为研究热点。赤泥（RM）是制铝工业中产生的副产物,目前全球的赤泥库存量高达50亿吨,存在二次污染的风险的同时也给人类健康带来威胁。通过对赤泥进行改性制备出复合吸附材料。另外,电石渣作为一种工业固废可充当钙源掺入吸附材料中,进一步提升吸附性能,并促进工业固废的资源化。 本文以赤泥为原材料,通过牺牲电极、共沉淀和共混凝技术制备系列赤泥复合材料,探究其对磷酸盐的吸附性能和机制,通过SEM、XRD和FT-IR分析赤泥复合材料的理化性质,利用吸附动力学模型和吸附等温线模型探究吸附机理,考察p H、投加量和共存物质等对磷酸盐吸附性能的影响,为工业固废“资源化提供技术支撑。本文的主要研究结果如下: 1)以赤泥为载体,通过Mg牺牲电极和Ca/Mg共沉淀法将Ca/Mg负载到赤泥表面。结果表明,Mg牺牲电极改性的赤泥复合材料（RM-EMg600）的吸附性能优于Ca/Mg共沉淀改性的赤泥复合材料（RM-CM500）。Langmuir模型拟合得到,RM-EMg600和RM-CM500对磷酸盐的最大吸附量分别为171.66mg·g和91.60mg·g。赤泥复合材料对高浓度磷的吸附过程符合Freundlich模型和拟二阶动力学模型,吸附行为符合多分子层吸附。FT-IR、XRD、SEM和钙/镁离子的总浸出实验分析表明,赤泥复合材料对磷的吸附机制主要是化学吸附、配体交换、离子交换和静电作用。 2)通过电辅助钙沉淀（RM-ECa）与化学钙沉淀法（RM-PCa）制备赤泥复合材料去除水溶液中的磷。实验结果表明,赤泥复合材料对高浓度磷的吸附过程符合Langmuir模型和拟一阶动力学模型,吸附行为符合单分子层吸附。Langmuir模型计算RM-ECa和RM-PCa的最大吸附容量分别为194.85mg·g和132.44 mg·g。结合RM-ECa和RM-PCa吸附磷酸盐前后FT-IR、XRD和SEM的表征结果得出,两种吸附材料对磷酸盐的吸附机制大致相同,主要为化学吸附、配体交换、离子交换和静电作用。 3)以赤泥和电石渣为原料,按照质量比为1:1共混凝后在700℃下高温煅烧制备富含钙的赤泥复合材料（RCS）。实验结果表明,RCS不同温度下的Langmuir模型的R均高于Freundlich模型,这意味着磷酸盐的吸附过程主要是单层吸附进行,说明材料表面的吸附位点是分布均匀的。Langmuir模型计算RCS在25、30、35℃时的吸附容量分别为183.54、196.91和200.36mg·g。结合RCS吸附磷酸盐前后FT-IR、XRD和SEM的表征结果得出,RCS吸附机制主要为化学吸附、配体交换和离子交换。