水化水泥颗粒改性方法优化与磷酸盐吸附行为研究

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作为引起水体富营养化问题的主要因子之一,磷含量的控制是防治水体富营养化的重要措施。吸附法除磷因其运行安全可靠、操作简便、成本低等特点被广泛关注。但是,现有吸附剂大多存在吸附容量低、初期吸附速度较慢、价格高等问题,限制了吸附除磷的应用。本研究以水化水泥为原料制备除磷吸附剂。分析比选了不同改性方法下水化水泥颗粒的强度和除磷效果,研究了初始浓度、接触时间、初始p H、共存离子和离子强度等因素对最佳改性方法HPC(即HPC0.5AS和HPCT700)吸附磷酸盐性能的影响,通过XRD、FTIR、BET、SEM等多种表征技术分析了其表面形态和内部结构特征及其吸附机理,并优化了HPC0.5AS工业化制备的参数。目的在于开发高效廉价且适宜大规模生产应用的新型除磷吸附剂。研究结果如下:(1)经0.5 mol/L Al2(SO4)3改性和700℃高温改性后,水化硅酸盐水泥颗粒的物理化学性质发生了明显变化。X射线衍射(XRD)结果表明,700℃高温活化使C3AH的特征峰消失,而经过0.5 mol/L Al2(SO4)3改性后,出现了Ca SO4的特征峰且C3AH的特征峰增多。两者表面均变得粗糙,孔隙度增加,HPCT700和HPC0.5AS均具有较大的比表面积,分别达到22.05 m~2/g和19.81 m~2/g。傅里叶变换红外光谱(FTIR)显示,高温改性在一定程度上会破坏HPC的结构,硫酸铝改性后Al-O-Si非对称收缩峰增强且生成了二水石膏。(2)HPC0.5AS和HPCT700对磷酸盐4 h的吸附容量分别为5.86 mg/g和6.26mg/g,72 h的吸附容量分别为25.31 mg/g和30.52 mg/g(C0=100 mg/L,投加量2g/L,T=25℃,p H=4.8),质量损失率分别为4.25%和5.84%。综合分析,水化硅酸盐水泥颗粒的较适宜的改性方式为0.5 mol/L Al2(SO4)3改性和700℃高温改性。(3)HPC0.5AS和HPCT700吸附磷酸盐均在72 h后达到平衡状态;HPC0.5AS对磷酸盐的吸附量随着p H的升高而先降低再升高,在中性条件下吸附效果最差,HPCT700则随着p H的升高而降低。水中常见阴离子对HPC0.5AS吸附磷酸盐影响大小排列顺序为:HCO3->CO32->SO42->NO3-,对HPCT700吸附磷酸盐影响大小排列顺序为:CO32->HCO3->SO42->NO3-;HPC0.5AS对磷酸盐的吸附不受离子强度的影响,而HPCT700对磷的吸附量随离子强度的增加逐渐升高且趋于平衡。(4)HPC0.5AS和HPCT700对磷酸盐的吸附符合准二级动力学模型。吸附等温线数据符合Freundlich吸附等温模型,热力学结果表明吸附过程是吸热、熵增的自发过程。结合HPC0.5AS和HPCT700吸附磷酸盐前后的表面形态、晶体结构、化学键等的变化,确定其吸附机理是以化学吸附为主,通过内部络合和表面沉淀来去除磷酸盐。(5)确定了HPC0.5AS大规模工业化生产的条件,比选出最佳的养护方式为密封养护,改性时间为6 h,固液比为1:10;改性液可以重复使用,改性液第6次使用时72 h的吸附容量为17.66 mg/g。HPC0.5AS用0.5 mol/L Al2(SO4)3再生3次后的吸附量仍大于HPC,说明HPC0.5AS是适合实际应用的高效除磷吸附剂。所以,HPC0.5AS是一种原材料廉价易得、制备简单、吸附容量大、性能稳定、可有限次数再生的优良除磷吸附剂,具有良好的应用前景。
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