一步法季铵盐改性复合材料的制备及除磷研究

论文总字数：19700字

目 录

1前言 6

1.1水体磷污染来源及危害 6

1.1.1磷污染的来源 6

1.1.2水体磷污染的危害 6

1.2目前国内外主要除磷方法和除磷技术 6

1.2.1化学沉淀法 7

1.2.2结晶法 7

1.2.3离子交换法 7

1.2.4生物除磷法 7

1.2.5人工湿地除磷法 7

1.2.6吸附法 8

1.2.7膜分离法 8

1.3秸秆直接焚烧的危害及利用现状 8

1.3.1秸秆直接焚烧的危害 8

1.3.2秸秆利用现状 8

1.4一步法季铵盐改性生物质复合材料 8

2实验材料与方法 10

2.1仪器与材料 10

2.1.1实验仪器与设备 10

2.1.2主要原料与用品 11

2.2实验方法 11

2.2.1 N/St制备路线 11

2.2.2 Zr-N/St制备路线 11

2.2.3磷酸根测定方法 11

2.2.4实验设计 12

2.2.4.1 pH实验 12

2.2.4.2吸附等温线 12

2.2.4.3竞争离子实验 13

2.2.4.4动力学实验 13

2.2.5材料表征方法 14

3实验结果与讨论 14

3.1材料表征 14

3.2 pH影响 15

3.3吸附等温线 16

3.4竞争离子实验 17

3.5吸附动力学 18

4结论和展望 19

4.1结论 19

4.2问题及展望 20

参考文献 20

致谢 22

一步法季铵盐改性复合材料的制备及除磷研究

王霞

Abstract: The excessive discharge of phosphate could seriously affect the growth and development of all living things, including human beings. The experiment results proved that the eutrophication of water body is mainly caused by phosphorus, which could break the natural ecological structureand ecological balance. Considering of that, the excessive phosphate existing in the environment needs to be removed for water protection. Adsorption is a very effective method for phosphate sequestration. In this research, wheat straw particles was modified by a simple “one-step” quaternary ammonium group, followed by the loading of nano-zirconium oxide, and finally obtained an inexpensive, eco-friendly nanocomposite. The biomass-based Zr-N/St exhibited excellent preference toward phosphate when competing ions coexisted at relatively high levels. Such excellent performance of Zr-N/St resulted from its specific hybrid structure, the quaternary ammonium groups bonded on the host favors the preconcentration of phosphate ions inside the wheat straw based on Donnan effect, and the encapsulated HZO nanoparticle exhibits preferable sequestration of phosphate ions through specific interaction. The results suggested that Zr-N/St has a great potential in efficient removal of phosphate in contaminated waters.

Key words: Phosphor; Quaternary ammonium salt; Modified straw; Adsorbent

1前言

1.1水体磷污染来源及危害

1.1.1水体磷污染的来源

从磷的来源看，有点源和非点源两种形式，其中点源主要是指厂矿企业的生产废水、居民生活排污水，非点源主要是指地表径流、雨水、养殖场废渣、动物的粪便等。研究表明，点源是水中磷元素的主要来源方式。通过调查国内部分污染的湖泊发现，点源排放的磷大大超过了非点源排放的磷含量，湖泊中超过百分之六十的磷是城市生活污水排放造成，剩余不到百分之四十的磷是湖泊沉降、降水、地表残渣造成^[1]。从水体中磷来源的含量情况看，农业排水的磷含量较高，生活污水的磷含量居中，工业废水的磷含量较低。如果在农业中使用了较多的含磷肥料，在地表径流的作用下，一些磷成分就会流失到河流中；由于一些洗涤剂中含有大量含磷物质，导致生活污水中一半左右的磷来源于洗涤剂^[2]；部分从事磷生产的化工企业、将磷系药物作为冷却循环处理物质的工厂^[3]、处理金属表面产生的磷酸盐工业废水是工业生产中磷成分的主要来源。同时也看到，一些食品企业、水产企业、酿造企业、化工企业、洗涤剂厂的排污水中含有不少磷成分^[4]。工业废水与生活排污水相比，水流量较大、处理比较困难、成分更加复杂，有的工业废水难以净化，对社会带来一定危害。据统计发现，2004年全国工业废水排水量超过了220亿吨，接近污水排放量的46%。但是在过去的调查研究中并没有考虑工业污染点源这个因素，比如说相关部门在制定太湖地区防污治污计划、2010年建设规划时，未参考工业污染这个现实问题。学者陈荷生^[5]等人为了弄清楚太湖流域的水污染情况，专门对1998年达标的1035家企业进行了抽样调查，同时还与日本的JiCA调查机构密切合作，发现太湖水环境中点源排放的磷含量接近排污总量的56%。由此看到，在加快发展工业的同时，工矿企业排放的污水越来越多，同时也增加了磷的含量，加剧了太湖地区的水质污染。

1.1.2水体磷污染的危害

磷是引起水体富营养化的重要原因。当水体出现富营养化后，水质变差，水体的透明度降低，水体中的植物不能吸收到外界的阳光，光合作用逐渐减弱，使得溶解氧过饱和。如果水体中的溶解氧含量少，或者处于过饱和状态，必然影响到水生动物的正常生长，甚至出现死亡。另外，当水体出现富营养化，原本生长在水表层的各种藻类植物就会形成一道绿色的漂浮带，将水体与空气隔离，减少了水体中的氧气含量，使得一些有机物质在厌氧条件下发生分解，产生大量有毒有害气体，同时部分浮游生物也产生一些毒素，给水生生物带来影响。从研究中发现，硝酸盐、亚硝酸盐是富营养化水的主要成分，居民和牲畜长时间饮用这类水，会增加中毒、患病的几率。由此看出，水体富营养化会带来诸多不利影响，一方面，导致大量藻类植物繁殖，有机物不能及时分解，影响水生生物的生态环境；另一方面，导致水体水质变差，水体净化能力降低、增加了生活用水的处理成本，让居民、牲畜面临中毒生病的危险。

1.2目前国内外主要除磷方法和除磷技术

1.2.1化学沉淀法

化学沉淀法^[6-11] 除磷是一种比较常见的去磷方法。从工作原理看，在水中放入部分易溶解的金属盐物质，金属盐遇水分解出金属离子，其与水中的磷发生化学反应，产生一些难溶于水的金属磷盐，经沉淀处理，达到除磷的目的。在具体操作中，控制水质的酸碱度是关键，通过调整金属离子、磷在水中的含量，让形成的金属磷盐物质更稳定，使得除磷的效果更好。调查发现，化学沉淀法能除去水中四分之三的磷含量，操作的自动化程度较高，处理过程比较稳定。但是也看到，为了提高除磷效果，有时会加入一些化学试剂，水中会留下一些污泥，在一定程度上增加了除磷的整体成本。

1.2.2结晶法

结晶法^[12-14] 也是一种除磷方式，从工作原理看，水体中含有的磷酸根离子会与钙离子、氢氧根离子发生化学反应，得到羟基磷灰石。在晶核上将羟基磷灰石分离开来，就能实现除磷的效果。从结晶法除磷中看到，由于羟基磷灰石附在晶核上，会增加晶核的体积，与化学沉淀法除磷相比，这种方法减少了除磷的污泥量，分离出的羟基磷灰石还可用于提取磷元素。同时，结晶法的投资成本低，除磷效果好，实用性强，是处理含磷废水的一种有效方法。但是结晶法要求废水的PH值大于8，同时还要有足够多的钙离子。

1.2.3离子交换法

离子交换法^[15] 除磷也是一种去磷的方法，从原理上看，通过使用多孔性阴离子交换树脂，对污水中的磷成分进行选择性吸收。但从处理效果看，这种方法存在交换容量不大、选择性不好、树脂药物有毒等不足，在现实中使用较少。

1.2.4生物除磷法

生物除磷法^[16-17] 是一种有效的去磷方式，该方法主要以Luxuryuptake现象为理论基础。1955年，学者Greebury率先提出了活性污泥法除磷总量高于生物代谢磷总量的观点，后来，一些研究人员发现在厌氧条件下一些微生物可以吸收好氧条件下的磷物质，于是，越来越多的人开始研究过量除磷问题。生物除磷方法就是在这个基础上总结出来的，也称其为生物过量磷去除方法。在除磷的多种方式中，生物除磷法的经济成本较低，目前研究最多的是聚磷菌除磷方法，当然，这种方法也有一些不足。由此看到，寻找一种成本低、效果好的新型除磷方法具有现实而深远的意义^[18]。

1.2.5人工湿地除磷法

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