基于水熱改性的除磷晶種制備及其除磷特性研究.pdf

1、磷是造成水體富營養(yǎng)化的主要元素之一,又是不可再生且面臨枯竭的重要自然資源,因此,研究高效除磷技術(shù),開發(fā)新的磷資源迫在眉睫。利用結(jié)晶法去除并回收廢水中的磷是目前公認(rèn)的既能有效防治水體富營養(yǎng)化,又能實(shí)現(xiàn)磷資源可持續(xù)利用的有效途徑,具有重要的研究價(jià)值。
　　 本文以模擬低濃度含磷廢水為處理對(duì)象,對(duì)比考察了投加石英砂、陶粒、鋼渣和礦渣材料對(duì)廢水除磷的作用特性,篩選出了能夠有效促進(jìn)磷酸鹽結(jié)晶反應(yīng)的材料;探討了不同活化改性方法對(duì)已篩選材料誘

2、導(dǎo)結(jié)晶除磷效能的影響規(guī)律,在此基礎(chǔ)上,利用機(jī)械活化后的粉末鋼渣和礦渣分別制備了除磷晶種基質(zhì)材料,進(jìn)而通過水熱改性獲得了具有高效吸附和堿度及離子緩釋效能的除磷晶種,總結(jié)提出了基于水熱改性的新型除磷晶種制備方法;系統(tǒng)考察了除磷晶種處理低濃度含磷廢水的結(jié)晶除磷特性,利用XRD和SEM-EDS等手段對(duì)除磷反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行表征、分析,初步探討了除磷晶種的結(jié)晶除磷機(jī)理。
　　 研究結(jié)果表明,在不調(diào)節(jié)原廢水水質(zhì)的條件下,投加石英砂、陶粒、鋼渣和礦

3、渣對(duì)模擬廢水中磷的去除具有不同的作用效果。其中,鋼渣的除磷能力顯著優(yōu)于礦渣,而陶粒和石英砂基本不具備除磷能力。
　　 提高模擬含磷廢水的初始Ca/P、pH值、磷濃度和延長反應(yīng)時(shí)間,可有效提高投加晶種材料的除磷效率。當(dāng)Ca/P＞2.0時(shí),除磷效率緩慢增加;當(dāng)溶液pH＞9時(shí),除磷效率顯著提高;當(dāng)初始磷濃度＞10mg/L時(shí),除磷效率顯著高于低濃度時(shí)的除磷效率(＜10mg/L);當(dāng)結(jié)晶反應(yīng)時(shí)間＞24h時(shí),再延長反應(yīng)時(shí)間對(duì)結(jié)晶除磷效率無顯

4、著影響。
　　 在本實(shí)驗(yàn)條件下,投加陶粒和石英砂對(duì)模擬廢水除磷效能沒有明顯改善,而投加鋼渣可有效去除模擬廢水中的磷,說明具有釋放堿度和鈣離子能力的材料能夠促進(jìn)結(jié)晶除磷過程,是制備高效除磷晶種的良好基質(zhì)材料。
　　 通過對(duì)比考察機(jī)械法、水熱法和機(jī)械-水熱聯(lián)合法對(duì)鋼渣和礦渣的除磷活化效果,發(fā)現(xiàn)改性處理可有效提高鋼渣和礦渣的除磷效能,其中機(jī)械—水熱法活化效果最佳。因此,首先利用機(jī)械活化法對(duì)鋼渣和礦渣進(jìn)行破碎、粗磨處理,經(jīng)篩分后

5、獲得粒徑為3-5mm顆粒鋼渣和顆粒礦渣;利用進(jìn)一步研磨所得的鋼渣和礦渣粉末,通過造粒、成型和養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié),制備鋼渣基復(fù)合濾料和礦渣基復(fù)合濾料,并與顆粒鋼渣和顆粒礦渣共同作為除磷晶種基質(zhì)材料,進(jìn)行進(jìn)一步的水熱改性活化處理。
　　 試驗(yàn)結(jié)果表明,水熱改性活化處理可顯著提高四種基質(zhì)材料的除磷能力,改性溫度、改性時(shí)間、NaOH濃度及液固比對(duì)活化效果具有重要影響。提高改性溫度、NaOH濃度和液固比,延長改性時(shí)間,對(duì)鋼渣、礦渣和礦渣基復(fù)合濾料的

6、結(jié)晶除磷效能有明顯促進(jìn)作用,其最佳改性溫度、改性時(shí)間、NaOH濃度和液固比分別為200℃、24h、6M和1;而鋼渣基復(fù)合濾料的改性活化條件與其他三種有所差異,最佳改性溫度、改性時(shí)間、NaOH濃度和液固比分別為105℃、6h、6M和1。
　　 綜合考慮機(jī)械活化和水熱改性的處理成本及基質(zhì)材料結(jié)晶除磷效能,總結(jié)得出基于不同基質(zhì)材料的除磷晶種制備方法,獲得了四種除磷晶種材料,其水熱改后的除磷能力分別為:顆粒鋼渣6.88mg/cm3、顆粒

7、礦渣4.67mg/cm3、鋼渣基復(fù)合濾料5.63mg/cm3、礦渣基復(fù)合濾料4.19mg/cm3,較改性前分別提高了60.8％、45.2％、54.8％、39.9％。
　　 研究發(fā)現(xiàn),除磷晶種的結(jié)晶除磷特性與其堿度及鈣離子緩釋能力密切相關(guān),當(dāng)溶液初始Ca/P=2,pH=8.0時(shí),改性顆粒鋼渣、顆粒礦渣及礦渣基復(fù)合濾料的堿度及鈣離子釋放速度較快,其結(jié)晶除磷效能衰減速度快于改性鋼渣基復(fù)合濾料,后者具有更為持久的連續(xù)除磷能力。
　

8、　 XRD和SEM-EDS表征結(jié)果表明,不同反應(yīng)條件下晶種材料的結(jié)晶除磷產(chǎn)物為不同形式的磷酸鈣;隨著反應(yīng)時(shí)間的延長,磷酸鈣沉淀晶化程度逐漸加強(qiáng),晶核數(shù)量逐漸增多同時(shí)晶體逐漸增大,轉(zhuǎn)化為結(jié)晶度不高的球狀羥基磷酸鈣(Ca5(PO4)3OH)晶體,其Ca/P=1.66,與理論值(1.67)基本一致。基于水熱改性制備的鋼渣基復(fù)合濾料含有大量的水化硅酸鈣C-S-H和Ca(OH)2,能夠釋放出結(jié)晶過程所需的堿度和鈣離子,從而促進(jìn)磷酸鹽以磷酸鈣的形