类水滑石高效吸附水体磷酸根的特征及其磷素再利用研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wenliang729
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在全球磷矿日趋耗竭与水体磷素过剩引起富营养化的双重压力下,进行磷素的回收再利用意义重大。类水滑石(LDHs)作为一类新兴材料,由于其突出的阴离子交换吸附性能,令其在吸附去除水体磷酸根方面潜力巨大。已有报道,LDHs的吸磷产物具有缓慢释放磷素为植物供磷的能力。但该领域研究尚处于起步阶段。  本研究试图通过优化合成方法,制备一种吸磷容量更高的环境友好类水滑石(CaAl-LDH)材料。将其作为水体磷酸根的高效吸附剂,分析其吸磷能力、影响因素和吸附机制;并将负载磷酸根的类水滑石(P-LDH)用于油菜盆栽试验,探讨其中磷素的植物再利用效果。通过开展批次的LDH(类水滑石)合成、磷酸根吸附解吸以及油菜温室盆栽试验,得到如下初步结果:  (1)采用恒定pH值共沉淀法,以Ca、Al为层板阳离子,Cl-为层间阴离子,成功合成了具有典型六边形层片状结构,结晶度更好的CaAl-Cl-LDH(简写为CaAl-LDH)。  (2)CaAl-LDH吸附磷酸根的过程在10h左右达到完全平衡,吸磷动力学过程可用假二级动力学方程描述;吸附等温线同时符合Langmuir和Redlich-Peterson模型方程;根据Langmuir模拟得到的理论最大吸磷容量为182.5mg P·g-1,与试验所得最大吸磷容量(176.8mg P·g-1)接近。吸磷过程为吸热反应,升高反应温度,吸磷容量增加;高温煅烧CaAl-LDH,由于其具有“记忆效应”,吸磷容量增加;几种竞争离子对吸磷的干扰作用顺序为CO32->SO42->NO3-;吸磷量随初始溶液pH值增加而大致呈下降趋势。  (3)CaAl-LDH吸磷达到饱和时,经XRD鉴定,其产物的主要成分是透钙磷石,证明吸附过程发生层板Ca2+的溶解再沉淀反应;SEM-EDS分析吸磷前后的材料及其主要成分可知,吸磷后颗粒变大,Cl-含量减少6.4%,说明磷酸根与Cl-发生的离子交换反应;FTIR分析结果验证了吸磷后产物存在层状结构,并有磷酸根存在。说明CaAl-LDH吸附磷酸根受溶解再沉淀和离子交换双重机制控制。  (4)P-LDH中60%以上的磷可被2%柠檬酸溶液提取,这部分磷属于枸溶性磷;通过以酸性红壤为材料进行温室盆栽油菜试验,得知油菜可以吸收P-LDH释放的磷素;施用P-LDH,油菜的生长与施用磷酸二氢钙相同或更好。  本研究合成的磷酸根吸附剂CaAl-LDH,可以通过离子交换和溶解再沉淀反应高效吸附水体磷酸根;吸附磷酸根之后的P-LDH,可施入土壤中为油菜提供磷素。
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