摘要
磷是生命的基本元素，但工农业生产排放的过量磷会对水环境带来不利影响，导致水体富营养化，造成严重的危害。因此，在含磷废水排入水体之前，如何经济、高效地去除废水中的磷成为亟待解决的问题。在众多水体除磷方法中，吸附法因其高选择性、成本效益、操作简单等优点而被广泛使用。层状双金属氢氧化物(Layered Double Hydroxides，LDH)具有特殊的层状结构以及成本低、阴离子交换性好、无毒等优点，在吸附、催化、医药等多个领域有着广泛的应用。本文以镁铝层状双金属氢氧化物为主体，使用成核/晶化隔离法进行插层及负载改性，制备出三种改性镁铝层状双金属氢氧化物吸附材料，利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)和磁滞回线测试(VSM)等手段对所制备的材料进行表征，以掌握材料的微观结构和化学组成，并探讨了三种吸附材料对模拟废水中磷的吸附特性及其影响因素。主要研究结果如下： 1.为提高Mg/Al LDH的离子交换性能，采用成核/晶化隔离法制备了层间阴离子为氯离子的镁铝层状双金属氢氧化物(Mg/Al-Cl-LDH)，其对模拟废水中磷的吸附结果表明：吸附动力学和等温线显示准二级动力学模型和Langmuir模型能更好的描述Mg/Al-Cl-LDH对磷的吸附过程，证明其主要为化学吸附控制的单层吸附，且颗粒内扩散并不是唯一控制吸附反应速率的因素；Langmuir模型拟合最大吸附量可达56.23mg/g，优于前人所制备的Mg/Al-CO32-LDH。影响因素实验表明，Mg/Al-Cl-LDH在pH为4~7的范围内吸附效果最佳，其最优投加量为1.0g/L，竞争离子CO32-对吸附的影响较大，吸附反应为自发的放热反应。表征分析表明，通过成核/晶化隔离法制备的Mg/Al-Cl-LDH，拥有规整的纳米级六边形层片结构且在吸附磷后其结构基本保持不变，初步判断其对磷的吸附机理主要为静电吸附、离子交换和配体交换。 2.为进一步强化Mg/Al LDH对磷的吸附效果，以甘氨酸作为插层物，对Mg/Al LDH进行插层改性并尝试采用核/晶化隔离法制备了Mg/Al-G LDH。其对模拟废水中磷的吸附结果表明：吸附动力学和等温线显示甘氨酸的插层显著提高了材料的吸附速率，在1min时磷去除率高达69%，在45min时达到吸附平衡，吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir模型，其拟合最大吸附量可达309.92mg/g。影响因素实验表明，Mg/Al-G LDH的最适pH范围为3~6，其最优投加量为0.8g/L，共存离子CO32-对吸附效果有显著影响，吸附过程为自发放热的过程，降低温度对吸附有利。Mg/Al-G LDH对磷的高吸附容量和快吸附速率可能是多种因素共同作用的结果，即甘氨酸的插层扩大了层间空间使磷易于进入，增大了与磷的接触面积，—NH2质子化带正电静电吸附H2PO4-和HPO42-，—COO-可与H2PO4-和HPO42-形成氢键；此外，还存在离子交换和配体交换作用。 3.为进一步提高Mg/Al-G LDH的分离性，尝试在Mg/Al-G LDH的基础上进行Fe(Ⅲ)掺杂，制备了Mg/Al/Fe-G LDH。其对模拟废水中磷的吸附动力学和等温线结果表明，吸附平衡时间为150min，吸附过程符合准二级动力学模型和Sips吸附等温模型，其拟合最大吸附量为175.111mg/g，说明Fe(Ⅲ)的掺杂反而降低了其吸附性能，究其原因可能是Fe的负载导致材料表面的吸附位点被覆盖。影响因素实验表明，Mg/Al/Fe-G LDH在pH为3~10的范围内去除率均在90%以上，表现出十分优良的pH耐受性；其最优投加量为1.4g/L，溶液中剩余磷浓度为0.47mg/L，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》一级A标准。表征分析表明，Fe的掺杂使其赋有磁性，Mg/Al/Fe-G LDH表现为典型的超顺磁性，其饱和磁化强度为3.79emu/g，可直接通过外加磁场进行固液分离。Mg/Al/Fe-G LDH对磷的吸附机理可能主要通过静电吸附、氢键作用、配体交换和离子交换等完成。
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