PVA包埋Zr-AC吸附剂的制备及景观水体除磷效果的探究

论文摘要

随着人类社会的发展，水环境受人类影响不断加大，由此导致的水污染问题日益突出。作为与人类生活息息相关的景观水体，其富营养化问题即成为当下研究的热点。研究表明：造成水体富营养化的主要原因是水体中摄入的氮磷含量过高，当磷含量超过20mg/l，氮、磷比例超过16:1时，即认为水体发生富营养化。本课题主要针对景观水体的富营养化问题，采用浸渍法与包埋法相结合，制备出一种新型包埋吸附剂，利用过渡区金属元素氧化物的吸附性能，对水体中的磷酸根进行吸附，从而降低水体中的磷含量，打破水体中的氮、磷比例，抑制水体富营养化。研究表明：水合氧化锆表面的羟基可与溶液中的磷酸根发生离子交换，生成络合物，从而达到吸附除磷的目的。本课题基于此理论，以活性炭为载体，用聚乙烯醇作为包埋剂，并选用硼酸作交联剂，氯化钙、海藻酸钠作固化剂，对水合氧化锆进行了负载和包埋处理，制备出一种高效除磷、可再生利用的新型包埋吸附剂。实验确定了新型包埋吸附剂的最佳负载、包埋以及除磷条件，探究了吸附机理和再生条件，还对实际公园景观水体的除磷效果进行了测试。通过正交试验确定活性炭对水合氧化锆的最佳负载条件是浸渍液浓度0.04mol/l、活性炭粒径1.02.0mm、浸渍时间12h、温度120℃，此时负载吸附剂性能最好，除磷效率为95.60%，吸附容量为11.34mg/g。采用包埋法对负载吸附剂进行固定时，确定的最佳包埋条件是聚乙烯醇质量浓度8.0%、海藻酸钠质量浓度1.2%、负载吸附剂质量7.5g、包埋液温度45℃、硼酸质量浓度4.5%、氯化钙质量浓度2%，固化20h后制备出强度、溶胀性、传质性、交联性均较好的包埋吸附剂，该包埋吸附剂的除磷效率为95.27%，吸附容量为9.48mg/g。投加2.0g新型包埋吸附剂在初始磷浓度为50mg/l、pH值为56、温度为30℃的100ml水体中，吸附72h，除磷效率为95.43%，吸附容量为9.52mg/g，此环境下的包埋吸附剂除磷效果最好。为表征新型包埋吸附剂的吸附机理，实验对新型包埋吸附剂的吸附速率曲线和吸附平衡规律进行了分析，结果表明：包埋吸附剂的吸附过程符合一级动力学模式，可用一级反应动力学方程班厄姆公式描述，其拟合相关性为R2=0.9941，拟合的方程式为q=9.48(1-exp0.004t1.5889)；该包埋吸附剂吸附平衡时的等温过程可用Freundlich等温式q e7.1945ce1/6.51617来表示，拟合相关性为R2=0.9265。在实际景观水体处理时，采用离子色谱分析法对景观水体的成分进行了测定，实验结果表明：景观水体中主要离子为F-、PO43-、Br-、NO2-、NO3-，包埋吸附剂的吸附能力强弱顺序为PO43-﹥﹥NO3-＞NO2-＞F-，对Br-基本无吸附效率。除此之外，实验测定了包埋吸附剂的再生性能，选择氢氧化钠溶液作为解吸液，浓度为2mol/l，解吸2h后，包埋吸附剂基本被完全脱附，解吸效率为99.43%，活性比为98.37%。当解吸再生8次后，包埋吸附剂的解吸效率为96.43%，活性比为92.22%，包埋吸附剂的吸附除磷效率为87.86%，吸附容量为8.75mg/g。解吸再生过程增强了包埋吸附剂的强度，降低了它的溶胀性和交联性，提高了其利用价值。通过对新型包埋吸附剂进行负载、包埋、除磷等最佳条件试验，采用离子色谱分析等实验手段进行吸附机理和吸附平衡规律的表征，从而制备出了新型高效包埋除磷吸附剂，并应用于实际水体处理过程中，实验结果表明该吸附剂具有高效除磷吸附性能及可再生性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 水体污染与富营养化现状
• 1.1.2 水体富营养化成因及危害
• 1.1.3 景观水体富营养化状况
• 1.2 景观水体除磷方法国内外研究现状
• 1.2.1 景观水体中磷的来源及存在形式
• 1.2.2 国内外除磷方法的研究现状
• 1.2.3 吸附法除磷机理及理论基础
• 1.3 课题研究目的及内容
• 1.3.1 课题研究目的
• 1.3.2 课题研究内容
• 1.4 课题应用价值及创新点
• 2 Zr-AC 吸附剂的制备
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料与方法
• 2.2.1 实验试剂
• 2.2.2 实验设备
• 2.2.3 实验方法
• 2.2.4 Zr-AC 吸附剂的制备过程
• 2.3 实验结果与讨论
• 2.4 本章小结
• 3 PVA 包埋 Zr-AC 吸附剂的制备
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料与方法
• 3.2.1 实验试剂
• 3.2.2 实验设备
• 3.2.3 实验方法
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 包埋条件性能测试指标
• 3.3.2 包埋条件单因素实验
• 3.3.3 最佳包埋条件确定
• 3.3.4 吸附剂除磷对比实验
• 3.4 本章小结
• 4 PVA 包埋 Zr-AC 吸附剂的除磷实验
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料与方法
• 4.2.1 模拟景观水体的制备
• 4.2.2 实验方法
• 4.3 吸附条件对除磷效率的影响
• 4.3.1 pH 值对除磷效率的影响
• 4.3.2 温度对除磷效率的影响
• 4.3.3 模拟水体初始浓度对除磷效率的影响
• 4.3.4 吸附剂投加量对除磷效率的影响
• 4.3.5 吸附时间对除磷效率的影响
• 4.4 PVA 包埋 Zr-AC 吸附剂的吸附速率测定
• 4.4.1 吸附速率曲线的绘制
• 4.4.2 吸附速率公式
• 4.4.3 吸附平衡
• 4.5 本章小结
• 5 景观水体除磷小试
• 5.1 引言
• 5.2 实验材料与方法
• 5.2.1 公园水体采样方法
• 5.2.2 离子色谱分析方法
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 实际景观水体水质分析
• 5.3.2 实际景观水体除磷小试
• 5.4 本章小结
• 6 PVA 包埋 Zr-AC 吸附剂的再生
• 6.1 引言
• 6.2 实验材料与方法
• 6.2.1 实验试剂
• 6.2.2 实验设备
• 6.3 再生方法选择
• 6.3.1 包埋吸附剂的吸附机理
• 6.3.2 包埋吸附剂脱附
• 6.4 实验结果与讨论
• 6.4.1 饱和吸附剂的制备
• 6.4.2 最佳再生条件的确定
• 6.4.3 包埋吸附剂再生的性能测定
• 6.5 本章小结
• 7 结论及建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 致谢