壳聚糖为载体的除磷吸附剂的制备及其性能的研究

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磷作为一种重要的工、农业原料,其主要来源于富磷矿石,而磷矿是一种不可再生资源,其储量随着大量开采而急剧下降。与此同时由于人类的生产、生活,大量的磷被排入到天然水体中,导致天然水体出现富营养化,危害水体生态环境和人类健康,因此去除和回收废水中的磷对可持续发展有十分重要的意义。吸附法作为一种有效的除磷方法,具有设备简单、操作方便和吸附剂可再生等优点,制备出性能优良的吸附剂是吸附除磷研究的关键。壳聚糖作为一种易生物降解、生物相容性好和可大量制备的天然高分子材料,被广泛的运用于去除金属阳离子、有害阴离子和染料的吸附剂制备。本文以壳聚糖为载体,制备了两种除磷吸附剂,对吸附剂的性能进行详细研究,并初步研究了被吸附磷的资源化回收。为实现废水中磷的有效去除并将其转化有用物质,采用水热法制备壳聚糖负载γ-A100H的颗粒吸附剂(γ-A100H@CS),并提出了新的吸附剂后处理策略。冻干后的颗粒吸附剂粒径为2~3 mm,具有多孔网状结构。吸附剂的最大吸附容量为45.82 mg/g,吸附容量比之前报道的多数铝基吸附剂高,吸附为自发、吸热的多层非均一吸附。吸附速率较快,在0.5 h内达到平衡吸附量的半数。常见共存阴离子对吸附容量影响不大,溶液初始pH在4~6范围内时吸附容量基本维持不变。用吸附剂对模拟的MBR工艺出水处理,结果表明流速对处理效果影响很大,在流量为3.0 mL/min和1.5 mL/min时实现达标排放的处理量为8.4 L和13.3 L。吸附后的吸附剂采用碱溶分离出壳聚糖,可作为制备吸附剂的原料。溶液中的铝通过向碱液中加入磷酸调节pH,经水热反应、煅烧后以磷酸铝的形式被回收,富磷溶液可作为工业原料或液体化肥。γ-A100H@CS表现出良好的吸附除磷性能,并实现了磷的资源化回收和吸附剂的完全回收。为提高壳聚糖水凝胶吸附剂的耐酸性、除磷和分离性能,利用乳液交联法,制备了负载La(OH)3的壳聚糖/聚乙烯醇互穿水凝胶网络磁性微球(La(OH)3@MIPN)。微球粒径范围为2.66~32.36μm,具有较好的溶胀性能,在水溶液中30min内粒径变为原来的1.26倍。微球的饱和磁化强度为11.6 emu/g,表现出超顺磁性,具有很好的磁分离特性。在pH>5的水溶液中,金属离子和有机物溶出量很少,表明其在弱酸、中性和碱性环境下具有很好的稳定性。吸附剂具有较快的吸附速率,在4h内达到吸附平衡,吸附过程符合拟二阶动力学模型,其最大吸附容量为44.34 mg/g,是不负载La(OH)3的壳聚糖/聚乙烯醇互穿水凝胶网络磁性微球(MIPN)的7.6倍,吸附容量大幅提高,其吸附机理主要为磷酸根离子与羟基的离子交换。吸附剂受共存离子的影响很小,有很强的选择性,溶液初始pH对吸附的影响较大,在酸性和中性条件下表现出较高的吸附量。吸附后的吸附剂用NaOH溶液进行解吸,5个吸附-解吸循环后,吸附量仍能达到初始吸附容量的89.9%,表现出良好的再生性能。
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