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钙铁LDH化合物、煅烧白云石粉对正磷酸盐与焦磷酸盐的去除行为研究

作　者: 窦丽
导　师: 吴岳英；钱光人
学　校: 上海大学
专　业: 化学工艺
关键词: 钙铁LDH化合物 白云石粉 正磷酸盐 焦磷酸盐 去除
分类号: O647.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


随着社会经济的快速发展，工业废水以及生活废水中磷对环境和土壤的输入造成了严重的水体污染或潜在污染风险，水体富营养化问题在全球范围内频繁发生。防治含磷废水污染，保护生态环境，合理利用不可再生的有限磷资源，是我国环境可持续发展所面临的一项迫切任务和重要课题。而有效治理包括正磷酸盐和焦磷酸盐在内的各类含磷废水是防治水体磷污染的重要内容。LDHs（Layered Double Hydroxides），层状双羟基化合物，因具有独特的层间阴离子可交换性，显现出优良的吸附性能而备受关注。本课题利用LDHs类化合物层板金属离子和层间阴离子的可调控性，借鉴Ca和Fe组分在传统化学絮凝除磷和众多吸附剂广泛应用的技术原理，以高效去除水体中正磷酸盐和焦磷酸盐为目标，构建了CaFe-LDH体系，针对钙铁LDH化合物对正磷酸盐、焦磷酸盐以及两者混合溶液去除的不同行为，系统研究了钙铁LDH化合物去除正磷酸盐、焦磷酸盐的动力学吸附和等温吸附，根据反应后溶液组分分析和固体产物表征，重点探索了钙铁LDH化合物去除正磷酸盐和焦磷酸盐可能的作用机理，以及同步去除正磷酸盐和焦磷酸盐的竞争作用。另外根据钙铁LDH和镁铁LDH去除磷酸盐的研究，我们通过煅烧的白云石粉和氯化铁构建了CaMgFe-LDH体系，并研究了CaMgFe-LDH体系对正磷酸盐和焦磷酸盐的去除效果。得到以下结论：1.利用共沉淀法可合成钙铁LDH化合物，分子式是Ca1.9Fe（OH）5.8Cl0.92（CO3）0.081.8H2O，合成产物中Ca和Fe分别以II和III的氧化态存在。煅烧的白云石粉与氯化铁共沉淀合成层间化合物。调控M2+和M3+的比例，在M2+:M3+=3，4时可以合成层间化合物。加NaOH条件下，M2+:M3+=2，3，4时都可以合成层间化合物，由固体产物表征可推测合成产物主要是镁铁LDH和钙铁LDH化合物的混合物。2.在初始正磷酸盐浓度条件为C=0.1613mmol P/0.1g LDH（本文中P均指正磷酸盐溶液中磷元素浓度）、0.3226mmolP/0.1g LDH、0.4839mmol P/0.1g LDH、0.6452mmol P/0.1g LDH和0.8065mmol P/0.1g LDH时，钙铁LDH化合物去除正磷酸盐分别在5h、24h、32h、36h和40h后达到平衡，对焦磷酸盐PP（本文中PP均指焦磷酸盐溶液中磷元素浓度）的去除在2h、6h、24h、36h和40h达到平衡。动力学拟合参数表明，对于正磷酸盐和焦磷酸盐体系去除过程中，去除行为比较符合二级动力学，但是相关系数不大，Elovich动力学方程拟合参数显示是从均相向非均相转变的过程。3. Freundlich等温吸附方程能够较好的描述钙铁LDH化合物对正磷酸盐的去除过程，该过程是一个既包括物理吸附又包括化学吸附的复杂过程，并且理论吸附容量为3.27mmol/g。钙铁LDH化合物对焦磷酸盐的去除过程既不符合Langmuir方程也不符合Freundlich方程，去除过程主要取决于Ca2+与P2O74-之间的沉淀作用。4.初始总磷条件分别为0.1613mmol TP/0.1g LDH（TP总磷浓度均指磷酸盐溶液中磷元素浓度）、0.3226mmolTP/0.1g LDH、0.4839mmol TP/0.1g LDH、0.6452mmol TP/0.1g LDH和0.8065mmol TP/0.1g LDH条件下，正磷酸盐与焦磷酸盐的比例（P:PP）为1:1。初始总磷浓度较低时钙离子相对磷酸根是足量的，此时两者不存在竞争作用。浓度达到0.4839mmol TP/0.1g LDH时，两者去除速率明显出现了差异，在相同的时间内焦磷酸盐去除的更快，并且去除量大。5.研究了初始正磷酸盐浓度恒定，分别为0.6452mmolP/gLDH，1.290mmolP/gLDH，1.935mmolP/gLDH，2.581mmolP/gLDH，3.226mmolP/gLDH条件下，焦磷酸盐初始浓度不断增大的去除过程。在正磷酸盐浓度1.290mmolP/gLDH时，随着焦磷酸盐浓度不断增大，正磷酸盐的去除率下降，说明在Ca2+不足的情况下，焦磷酸盐对正磷酸盐产生了竞争作用，并且这种竞争作用随着焦磷酸盐浓度的增大而增大。6.煅烧白云石粉构建CaMgFe-LDH体系对正磷酸盐的去除主要是钙离子对正磷酸盐的沉淀作用。氯化铁的加入可以降低溶液的pH，促进白云石粉中钙元素和镁元素的溶解，有助于正磷酸盐的去除，并且氯化铁加入量越大正磷酸盐的去除效果越好。7.煅烧白云石粉构建CaMgFe-LDH体系对焦磷酸盐的去除在焦磷酸盐浓度低时主要表现为钙离子的沉淀作用；而在焦磷酸盐浓度较高时，溶液中P2O74-与Fe3+、Ca2+、Mg2+发生络合，致使焦磷酸盐去除量下降，影响去除效果。8.钙铁LDH化合物与正磷酸盐或焦磷酸盐反应时，反应机制主要是溶解-沉淀。另外，在去除焦磷酸盐过程中，当焦磷酸盐浓度到4.5mmolPP/gLDH左右时，Ca2+与P2O74-发生络合，络合物以CaP2O72-形式存在于溶液中。LDHs骨架中溶出的钙离子与正磷酸根或焦磷酸根分别形成羟基磷灰石和焦磷酸钙沉淀是固磷的主要机制。固相中形成的无定形水铁矿结构化合物（ferrihydrite）与磷酸盐形成表面配合物补充强化了矿物对两种磷酸盐的去除作用。

全文目录


摘要  6-9
ABSTRACT  9-12
目录  12-16
第一章 绪论  16-34
  1.1 研究背景  16-20
    1.1.1 磷污染现状及危害  16-17
    1.1.2 多形态磷同步去除的需求  17-18
    1.1.3 磷污染处理方法研究现状及存在的问题  18-20
  1.2 LDHs 去除多形态磷的研究进展  20-28
    1.2.1 LDHs 的结构及其特性  20-23
      1.2.1.1 LDHs 的结构  20-21
      1.2.1.2 LDHs 的特性  21-23
    1.2.2 LDHs 同步去除多形态磷的可能性  23
    1.2.3 LDHs 去除磷酸盐的研究现状  23-28
      1.2.3.1 LDHs 去除磷酸盐的研究进展  23-26
      1.2.3.2 钙铁 LDH 化合物的除磷研究  26
      1.2.3.3 镁铁 LDH 化合物的除磷研究  26-27
      1.2.3.4 钙镁铁 LDH 化合物的除磷研究  27-28
  1.3 白云石粉构建 LDH 体系去除多形态磷的可行性  28-29
    1.3.1 白云石结构与组分研究  28
    1.3.2 煅烧后白云石构建 LDH 体系除磷可行性分析  28-29
  1.4 课题研究目的、内容  29-31
    1.4.1 研究目的  29-30
    1.4.2 研究内容  30-31
      1.4.2.1 钙铁 LDH 化合物对水中磷的去除效应及作用机理  30
      1.4.2.2 白云石粉及其合成 LDH产物对水中磷的去除效应及作用机理  30-31
  1.5 技术路线  31-33
  1.6 创新点  33-34
第二章 实验仪器与测试方法  34-37
  2.1 实验试剂与仪器  34-35
    2.1.1 实验试剂  34
    2.1.2 实验仪器  34-35
  2.2 测试分析与表征方法  35-37
    2.2.1 磷酸盐的测定  35
    2.2.2 金属离子的测定  35
    2.2.3 X 射线衍射分析（XRD）  35-36
    2.2.4 红外光谱分析（FTIR）  36-37
第三章 钙铁 LDH 化合物的合成、表征及除磷行为的研究  37-80
  3.1 钙铁 LDH 化合物的合成  37
  3.2 钙铁 LDH 化合物的表征  37-39
    3.2.1 钙铁 LDH 化合物的 XRD 分析  37-38
    3.2.2 钙铁 LDH 化合物的红外分析  38-39
  3.3 钙铁 LDH 化合物在纯水中的溶解行为  39-40
  3.4 钙铁 LDH 化合物对正磷酸盐的去除行为  40-50
    3.4.1 反应时间对钙铁 LDH 化合物去除正磷酸盐的影响  40-45
    3.4.2 等温吸附行为  45-49
      3.4.2.1 等温吸附曲线和溶液组分分析  45-47
      3.4.2.2 等温吸附后固体产物分析  47-49
    3.4.3 钙铁 LDH 化合物对正磷酸根的作用机制  49-50
  3.5 钙铁 LDH 化合物对焦磷酸盐的去除行为  50-58
    3.5.1 反应时间对钙铁 LDH 去除焦磷酸盐的影响  50-52
    3.5.2 等温吸附行为  52-57
      3.5.2.1 等温吸附曲线和溶液组分分析  52-54
      3.5.2.2 等温吸附后固体产物分析  54-57
    3.5.3 钙铁 LDH 化合物对焦磷酸根的作用机制  57-58
  3.6 钙铁 LDH 对正磷酸盐和焦磷酸盐的同步去除行为  58-80
    3.6.1 反应时间对钙铁 LDH 同步去除正磷酸盐和焦磷酸盐的影响  58-66
    3.6.2 等温吸附行为  66-76
      3.6.2.1 正磷酸盐与焦磷酸盐初始配比恒定  66-68
      3.6.2.2 正磷酸盐与焦磷酸盐初始配比变化  68-76
    3.6.3 验证实验  76-80
      3.6.3.1 初始正磷酸盐和焦磷酸盐配比为 1  76-78
      3.6.3.2 初始正磷酸盐和焦磷酸盐配比为 2  78-80
第四章 煅烧后白云石粉对磷酸盐去除行为  80-102
  4.1 白云石粉的煅烧和煅烧后结构表征  80-81
  4.2 煅烧后白云石粉和氯化铁共沉淀方法合成层间化合物  81-91
    4.2.1 合成测试  81-82
    4.2.2 煅烧后白云石粉和氯化铁共沉淀合成产物研究  82-87
      4.2.2.1 合成产物 XRD 谱图分析  82-83
      4.2.2.2 合成产物水洗后 XRD 谱图分析和溶液组分分析  83-87
    4.2.3 煅烧后白云石粉和氯化铁共沉淀合成产物研究（加 NaOH）  87-91
  4.3 煅烧白云石粉构建 CaMgFe-LDH 体系对正磷酸盐的去除  91-96
    4.3.1 合成产物 XRD 特性分析  91-93
    4.3.2 溶液组分分析  93-96
  4.4 去除焦磷酸盐效果研究  96-101
    4.4.1 镁铁 LDH 化合物对焦磷酸盐的去除  96-97
    4.4.2 煅烧白云石粉构建 CaMgFe-LDH 体系对焦磷酸盐的去除  97-101
  4.5 钙铁 LDH 化合物体系与煅烧白云石粉体系除磷行为的比较  101-102
第五章 结论与展望  102-105
  5.1 研究结论  102-104
  5.2 建议与展望  104-105
参考文献  105-112
作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文和专利  112-113
致谢  113

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中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 物理化学（理论化学）、化学物理学 > 表面现象的物理化学 > 吸附
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