基本信息
- 项目名称：
- 废水除磷免烧材料的结构及性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本作品充分利用牡蛎壳特殊的物理构造和化学成分，经科学处理，制备一种高效、长效、多功能、无二次污染问题的废水净化吸附剂，可同时高效去除废水中的磷及铅等重金属离子，吸附剂成本低，使用简单方便，可反复回收使用，以废治污，具有显著的经济、环保和社会价值。本参赛论文阐述了一种免烧工艺制备牡蛎壳质废水净化材料，探讨了配方及环境因素对除磷效果的影响并对材料进行了微观结构表征，已发表英文论文1篇，并SCI收录。
- 详细介绍：
- 目前，国内外除磷方法主要有以下三种，但各种方法都存在着不同的缺陷：（1）化学沉淀法的最大缺陷就是引入了新的化合物，而且该法的试剂消耗量大，运行费用高，产生大量无用且易造成二次污染的化学污泥；（2）生物法除磷对废水中有机物浓度依赖性很强，当废水中有机物含量较低，或磷含量超过10mg/L时，处理后的出水不能满足磷的排放标准，因此，往往需要对出水进行二次除磷处理；（3）吸附法是目前最有前途的一种脱磷方法，具有投资少，处理效率较高等特点，但除磷效率仍都待进一步提高，而且因目前的吸附剂都以粉料形式投放，导致淤泥增多，回收困难，二次污染更为严重。总得来说成本高或难以回收利用是制约目前废水除磷材料的技术瓶颈。在这种背景下，我们对利用率很低、产量很大且会污染环境的牡蛎壳废弃物加以充分利用。在我们之前的研究中发现，牡蛎壳具有高度发达的孔隙，具有良好的吸附能力，以前我们通过将牡蛎壳磨细-加入硅微粉改性-成型-烧结-水热等工艺制备了可反复回收使用的废水净化样品，这样的样品对废水中的磷和铅等重金属去除效果优异，同时，持续除磷及铅效果很好，但是样品制备的工艺比较复杂，由于需要高温处理，成本较高，因此在我的工作中，主要从降低成本的角度，选用水泥等结合剂，不用烧结而制备一种可回收的废水净化样品。我们首先通过不同配方的强度、吸附效果的测定，结合除磷效率、经济效益等因素，确定一个最佳配方，之后，在这个配方的基础上测定温度、PH值等外界因素对除磷效果的影响，最后通过XRD、SEM等性能表征，对一些现象做进一步深入探讨、总结。最终得出以下结论： (1) 利用水泥添加剂免烧法制备废水除磷材料，工艺简单，成本低，效果好； (2) 含水泥10wt%和牡蛎壳粉末90wt%的试样，养护28天后抗折强度为12.26MPa，最大弯曲力67.57N。实验环境温度30℃条件下，2天后的除磷率达到93.2%，确定为最佳配方； (3) 提高环境温度有利于提高材料的除磷效率，在中性与碱性条件下，该材料的除磷效果最佳。 (4) 水泥矿物与牡蛎壳粉共同水化会形成网状、片状物，这些片状物容容易搭接形成多微孔结构，有利于除磷。磷容易在这些结构上以CaHPO4的形式析出，呈片状组织叠堆在一起，这与XRD测试结果合。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：利用牡蛎壳这一具有丰富天然多孔结构的生物资源，经科学改性，研制出网状结构可在使用过程中继续搭建与生长的新一代高效、长效、多效及无二次污染问题的废水净化吸附剂，并探索材料吸附机理。思路：通过添加适量结合剂，采用免烧工艺制备不易破损、可反复使用的净化材料；探讨各种环境因素对吸附性能和微观结构的影响，确定制备和使用条件。从原料、制备工艺和产品使用等全过程体现“绿色、生态”。
科学性、先进性及独特之处
- (1) 利用牡蛎壳具有丰富发达的天然多级孔结构的特点合成了三维立体网状结构吸附剂，使用原料、改性工艺、合成路线及合成产物特性均具独创性。 (2) 从吸附机理上突破传统基于物理或化学吸附存在的易饱和，容量低，效果单一的局限，本吸附剂的三维网状结构可实现在吸附过程中的继续搭建与生长，具备高效、长效、大容量的特点，具有传统吸附剂不可比拟的优点。
应用价值和现实意义
- 本课题研究样品，经科学改性，建立持续除磷机制，采用吸附法与化学法相结合方式，解决制约除磷材料回收再生等科学与技术难题。除可用于工、农业等各种废水的治理之外，还可用于大面积富营养化水体的治理，特别符合我国牡蛎壳废弃污染与封闭或半封闭性水体较多易富营养化均需治理的实际情况。如能实现产业化，则能转换牡蛎壳废弃物为一种重要工业原料，并有效去除各种污水中的磷，解决水体的富营养化问题，环保和社会意义重大。
学术论文摘要
- 用牡蛎壳和水泥为主要原料，不经烧结制备空心管状可回收的废水除磷材料，探讨各种不同影响因素对样品的除磷效果，从而选择最佳除磷工艺条件。采用SEM及XRD表征样品的微观结构及组成，用磷钼蓝分光光度法测定废水中磷的含量。结果表明含水泥10wt%、牡蛎壳粉末90wt%，在30℃条件下，除磷时间2天时的除磷率达到93.3%；SEM分析显示除磷后样品表面出现片状结构含磷化合物，堆叠在一起，仍保持多孔结构；结果还显示提高环境温度有利于提高材料的除磷效率；在中性与碱性条件下，该材料的除磷效果最佳。
获奖情况
- 2010年11月于SCI收录期刊《Chinese Journal of Structural Chemistry》(结构化学)第29卷第11期发表《A Study on the Structure and Behavior of Sinter-free Material for Phosphorous Removal from Waste Water》论文一篇。
鉴定结果
- 该论文有一定理论深度，所述除磷技术具有显著的创新性且简单易行，除磷效果优异，可为进一步推广和应用提供理论指导，从而为同时解决严重的水体和牡蛎壳污染问题提供新思路，以废治污，应用前景广阔。--于岩
参考文献
- [1] Y. Yu, R. P. Wu, M. Clark. Phosphate removal by hydrothermal modified fumed silica and pulverised oyster shell. Journal of Colloid and Interface Science 350(2010): 538-543. [2] Y. X. Tu, J. Y. Yan, X. L. Yang, S. S. Huang, R. P. Wu, Y. Yu. A study on the structure and behavior of sinter-free material for phosphorous removal from waste water. Chinese J. Struct. Chem., 2010, 29(11): 1717-1723(通讯作者). [3] M. L. Huang, Y. Yu, R. P. Wu. Researches on the treatment of phosphate waste water with oyster shells. Chinese J. Struct. Chem., 2010, 29(12): 1886-1892(通讯作者). [4] 黄艳, 于岩, 吴任平, 颜俊瑜. 硅藻土/牡蛎壳制备可回收废水除磷材料的研究. 福州大学学报(自然科学版), 2009, 37(3): 452-456(通讯作者). [5] Y. Yu. Activated Alumina Adsorbent Developed from Waste Aluminum Sludge, Key Engineering Materials, 2007, 336-338:186-1888. [6] 发明专利: 利用牡蛎壳制备可回收废水除磷材料的原料配方及制备方法. 专利号: ZL 200710009855.0
同类课题研究水平概述
- 采用吸附法除废水中的磷及各种重金属污染物以其使用简便，稳定可靠成为最有前途的废水净化方法。目前有报道的吸附剂种类较多，但归根结底，其吸附原理仍归属于传统的物理吸附和化学吸附两种。其中物理吸附指在吸附过程中被吸附离子的化学性质保持不变；在系统的温度和压力以及各组分的浓度一定的情况下，吸附剂的吸附容量取决于其比表面积的大小。化学吸附过程则可以看成为相界面上发生的化学反应，吸附质与吸附剂之间形成的结合方式是化学键。吸附剂内存在固定的吸附位，而且被吸附离子不能沿吸附剂表面移动。因此概括来看，迄今为止所报道的废水净化吸附剂，无论其吸附机理是物理吸附还是化学吸附或者二者兼具，普遍存在以下缺点：（1）具有选择性，功效单一。现有的吸附剂通常只对废水中的某一种污染物具有吸附作用，而处理多种污染物的复杂水体则效果不佳。（2）饱和性。从吸附机理上讲，无论是何种性质的物理吸附还是化学吸附，吸附产物在吸附剂表面富集后都会封闭表面，阻止吸附剂进一步发挥作用，因此目前国内外报道的吸附剂无论吸附容量高低，都存在吸附饱和的问题。（3）吸附容量与可回收再生的矛盾性。吸附剂的比表面积与吸附效果成正比，而成型后的吸附剂虽然易回收再生，但由于可利用的比表面积下降而造成吸附效率和吸附容量大大降低，因此，为了提高吸附作用效果，现有的大部分吸附剂以粉料形式投放，导致淤泥增多，回收困难，二次污染更为严重。部分可回收再生的吸附剂则由于活性比表面小而造成吸附效果不理想。 针对现有废水净化吸附剂存在的以上问题，我们设想如果能从吸附剂的作用机理上寻求一种突破，设计一种可实现结构自组装优化的多孔吸附剂载体：以此载体为骨架和核心，在吸附过程中，吸附产物可自动实现在载体上有序的沉积，继续形成多孔网状结构，不但不会封闭原有吸附剂的活性表面，而且创造更多的活性中心吸附点，使对更多的污染物起作用，且可持续起效，则可从根本上解决以上3种问题，制备一种可在多重污染水体中持续起效的可回收创新型吸附剂。 正是在以上思路的启发下，我们用具有天然多孔结构的牡蛎壳为主要原料，经科学处理，制备可反复回收使用的新型高效、长效、多效废水净化吸附剂。
