纳米CaO2/生物炭复合材料对水体中磷的回收及资源化利用

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本研究以多孔生物炭为载体,通过表面沉淀法将纳米CaO2负载于生物炭表面及孔隙中,制备出一种高效除磷的纳米CaO2/生物炭(nano-CaO2/BC)功能材料。同时考察了主要的制备条件对材料除磷性能的影响,并对合成材料的理化性质进行了充分的表征分析。以磷酸盐为目标污染物,通过一系列的批试验考察了nano-CaO2/BC复合材料在不同环境条件下的除磷性能,探究其吸附条件。同时,结合吸附模型和表征分析,探究了nano-CaO2/BC复合材料对磷酸盐的吸附机理,以期为nano-CaO2/BC复合材料在实际应用中提供理论依据和技术支撑。根据吸附后的复合材料与土壤混合后对番茄幼苗所表现出的生物效应,探究废弃物的处置与资源化再利用的可行性。(1)在nano-CaO2/BC复合材料的制备过程中,当生物炭的热解温度为600?C、粒径为80目、Ca Cl2与生物炭的质量比为0.8:1、H2O2和氨水的投加量分别为12.6 m L和15 m L时,所制备材料的除磷效果较优。采用SEM、TEM、BET、XRD和FTIR手段对生物炭和nano-CaO2/BC复合材料的理化性质进行表征,结果表明生物炭含有微孔、中孔和狭缝孔,其优良的多孔结构为CaO2的负载提供了大量的吸附位点;同时,CaO2的成功负载增加了生物炭对磷酸盐吸附的活性物质,使nano-CaO2/BC复合材料能高效吸附水中的磷酸盐。(2)采用nano-CaO2/BC复合材料对水中磷酸盐进行吸附,通过探究复合材料的投加量、磷溶液初始p H、共存离子以及初始磷浓度,初步分析了nano-CaO2/BC复合材料在不同影响因素下的除磷性能。结果表明:2 g L–1的材料投加量能使磷酸盐的去除速率和去除率均能达到较高水平;初始磷酸盐溶液的p H在3-11范围内时,nano-CaO2/BC在高p H条件下对磷酸盐的去除速率较快,在低p H条件下则较慢,但最终去除率无明显差别,表明nano-CaO2/BC能中和酸性污水,使磷酸盐的去除在酸性条件下也能顺利进行;共存离子HCO3的存在会使nano-CaO2/BC复合材料对磷酸盐的去除率降低约6.2%,而SO42–、NO3和Cl对磷酸盐的去除均无影响,因此nano-CaO2/BC复合材料具备一定的抗干扰能力;当初始磷浓度在5-200 mg L–1范围内时,nano-CaO2/BC对磷酸盐的去除效率均可达99%以上,但由于复合材料的吸附量有限,当磷酸盐的浓度超过200mg L–1时则需要增加nano-CaO2/BC的投加量以达到理想的去除率,同时,由于磷酸盐的缓冲能力会在一定程度上会减小溶液p H值的变化,因此,溶液的缓冲能力则会在一定程度上影响磷酸盐的去除。Nano-CaO2/BC复合材料经4次重复利用后,仍具有非常高的去除效果(>96%),因此,其具备实际应用的潜力。(3)准二级动力学模型、Langmuir-Freundlich和Redlich-Peterson等温吸附模型以及XRD和FTIR表征分析结果证明该吸附的主要机理为在异质表面上生成多层无定形的磷酸钙(ACP)和Ca HPO4·2H2O(DCPD)等化学沉淀的化学吸附,去除速率主要受磷酸根离子与吸附剂结合位点之间的化学反应速率控制,饱和吸附量为213.22±13.57 mg g-1(298K)。(4)盆栽试验表明:根据幼苗的颜色、茎高和叶片大小,发现幼苗在吸附磷后的nano-CaO2/BC组中长势最好,这是因为在吸附磷后的nano-CaO2/BC组中,生物炭和磷分别起到了改良土壤和为植物提供营养元素的作用。生物测定结果证明了吸附磷后的nano-CaO2/BC可循环回土壤以改良土壤质量并促进植物的生长。
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