超顺磁性纳米复合材料吸附污水中磷酸盐的选择性机理研究

Superparamagnetic nanocomposite materials, which show strong selective adsorption capacity for phosphate, can be recycled after regeneration, providing a new idea for the phosphorus recovery from urban sewage and alleviating the phosphorus resource crisis. Aiming at phosphorous recovery in wastewater, the project develops superparamagnetic nanocomposite material modified by special metal, with which this project investigates on the phosphate adsorption capacity, the effect of interferential substances on selective adsorption of the composite materials. Meanwhile, the structure, morphology, composition of the nanocomposite materials is characterized, zeta potential analysis, X ray diffraction phase analysis, X-ray photoelectron spectroscopy analysis, dynamics analysis and simulation with Materials Studio software are also conducted for the materials during the adsorption and regeneration process, promoting a comprehensive understanding of the mechanisms of selective adsorption as well as the action of doped metal during the selective adsorption process. Finally, both batch tests and continuous tests are conducted to investigate the operation conditions and determine the key control factors of phosphate adsorption and regeneration, providing theoretical and technical guidance for the phosphorus recovery and recycling from sewage with the superparamagnetic nanomaterials.

超顺磁性纳米复合材料对磷酸盐具有很强的选择吸附能力，再生后还可循环使用，这为城镇污水的磷回收和磷资源危机的解决提供了新的思路。本项目着眼于生活污水中磷的回收，开发以特殊金属改性的超顺磁性纳米复合材料，研究该材料对磷酸盐的吸附容量，考察干扰物质对复合材料选择性吸附性能的影响，评价选择性吸附位的再生性能；同时，表征纳米复合材料的结构、形貌和组成，分析吸附和再生过程的Zeta电位、X射线衍射相、X射线光电子能谱等等，进行动力学分析，借助Materials Studio软件进行模拟，全面了解选择性吸附机制，揭示掺杂金属在选择性吸附过程中的作用机理；最后，通过序批试验和连续性试验考察pH值、离子强度、微生物代谢物浓度等不同条件对吸附选择性能的影响，确定关键控制因子，为生活污水的磷回收和资源化提供理论和技术指导。

超顺磁性复合材料对磷酸盐具有很强的选择吸附能力，再生后还可循环使用，这为城镇污水的磷回收和磷资源危机的解决提供了新的思路。本研究采用共沉淀法制备以四氧化三铁为内核、羟基双金属氧化物为吸附中心并采用过渡元素改性的超顺磁性复合材料，考察了该材料对磷酸盐溶液、生活污水及消化污泥上清液中磷酸根的吸附容量以及不同pH值、不同离子强度、微生物代谢物浓度对磷吸附容量的影响，证实该材料的普适性和高选择性；同时，表征复合材料的结构、形貌和组成，分析吸附和再生过程的X射线衍射相、X射线光电子能谱等等。借助Materials Studio平台中的DMOL3模块，采用虚拟晶体近似方法建立赝原子模型，成功地模拟了材料分子水平复合材料对磷酸根的选择性吸附行为。其中，关于络合反应中过渡金属与磷酸盐内球络合与外球络合活化能的计算证实了磷酸盐吸附过程中内球络合作用的主导地位，从而证实了复合材料吸附磷酸盐的高选择性。本研究通过模型建立和能量计算，为过渡金属负载的双金属氢氧化物与磷酸根之间的内球络合或外球络合的争论提供了新的证据。赝原子模型还可用于材料制备过程中过渡金属元素的快速筛选，也可预测未知过渡金属负载的吸附材料的磷酸盐吸附容量。针对复合材料在吸附/再生循环过程中的元素组成及其变化的分析结果表明，离子交换机制在初次吸附中占据主导，而在后续再生以及吸附-再生过程中，络合作用取代离子交换成为主要的磷酸盐吸附机制。研究还建立超顺磁性纳米复合材料吸附磷酸盐小试装置，开展序批及连续试验，阶段性运行300h以上，对其在污水处理中磷资源回收能力及节约能耗方面进行了核算并落实材料优化方案。本研究关于超顺磁性复合材料在磷酸盐吸附机理随吸附-解吸-再生过程中的更替和演变是对超顺磁性纳米复合材料吸附磷酸盐的选择性机制的重要补充，具有重要的理论意义和工程意义。