类水滑石高效专性磷吸附剂的构建及吸附作用机制

本项目针对类水滑石化合物组成和结构上的多样性及其对水中磷酸根吸附作用原理尚不清楚的现状，设计相应的实验方案并借助多种现代分析检测技术，获得类水滑石高效专性磷吸附剂的构建方法，并揭示类水滑石对水中磷酸根的吸附过程和作用机制。在课题研究中，通过建立类水滑石制备方法、结构特征和其磷吸附性能的内在关系，提出类水滑石结构调控的关键技术和高效、专性类水滑石磷吸附剂的定向构建方法；通过考察类水滑石磷吸附的主要影响因素以及吸附过程中类水滑石（固相）、溶液（液相）组成和性质的变化规律，解析类水滑石吸附水中磷酸根的微观过程，并结合磷吸附等温线和动力学特征提出相应的吸附模型；通过测定载磷类水滑石中磷酸根的存在状态及类水滑石和磷酸根的相互作用，解析类水滑石吸附水中磷的主要途径和作用机制。这些研究的开展对于利用类水滑石化合物去除和回收污废水体中的磷将具有重要的理论和应用价值。

类水滑石的制备方法、结构特征和磷吸附性能之间的关系可为合成高效、专性类水滑石磷吸附剂及回收磷资源提供理论基础。.本项目采用尿素分解共沉淀法制备了一系列ZnAl类水滑石，考察了制备ZnAl类水滑石的沉淀反应时间对其结构和吸附磷性能的影响。结果表明，随着沉淀反应时间由12 h增加至96 h，制得的ZnAl化合物均具有典型的类水滑石层状晶体结构，但其中的Zn/Al摩尔比由2.06降至0.70，比表面积由14.12升至112.68 m2•g-1，平均孔径由104.02降至59.55 nm。总体上看，样品中Al3+比例升高引起的层板正电性增强以及样品比表面积的升高使得ZnAl类水滑石对水中磷酸根的吸附性能随着其沉淀反应时间的增加而逐渐增强。当沉淀反应时间为24 h时，得到的ZnAl类水滑石（ZnAl-24）具有较高的磷酸根吸附性能，其在25℃的饱和吸附量（以P计）约为34.5 m2•g-1。然而，Al含量最低的ZnAl-96（沉淀反应时间为96 h）也具有很高的磷吸附性能，25℃的饱和吸附量约为25 m2•g-1。进一步研究发现，ZnAl-24的磷吸附等温线表现为Langmuir型，而ZnAl-96则表现为Freundlich型；两者吸附磷动力学方程均符合准二级。ZnAl-24吸附磷酸根的过程中ΔH0 < 0，属于放热反应；而ZnAl-96吸附磷酸根的过程中ΔH0 > 0，为吸热反应。pH值对ZnAl类水滑石中Zn2+和Al3+的溶出变化影响不大，但对其吸附磷的性能影响较大。在酸性和中性条件下，ZnAl的磷吸附量较大，碱性条件下磷吸附量急剧减少。共存离子对ZnAl类水滑石吸附磷的性能均有不同程度抑制作用，并且随共存离子浓度的增加抑制作用增强。.ZnAl类水滑石吸附磷酸根前后的固液组成、溶液pH值和磷解吸实验结果的对比分析表明， ZnAl-24对水中磷的吸附以层间阴离子交换作用为主；而ZnAl-96的磷吸附以表面物理化学吸附为主。.本项目取得的研究成果，对于进一步深入探讨类水滑石型磷吸附材料的吸附机理以及高效专性类水滑石的定向合成具有重要的参考价值。