CN109603734A - 基于河道底泥的磷吸附剂及其回用于河道水体处理的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于河道底泥的磷吸附剂及其回用于河道水体处理的应用，该磷吸附剂为以重污染河道底泥及Al2O3为原料、经高温烧结制得的底泥陶粒，原料中，Al2O3的量为重污染河道底泥质量的3～10％。该磷吸附剂由下述步骤制得：(1)采集重污染河道底泥，风干、研磨、过筛；(2)将过筛后的河道底泥与Al2O3搅拌混合后造粒、烘干，先升温至290～310℃预热20～40min，然后继续升温至1000～1100℃烧结5～45min，得到底泥陶粒。本发明的磷吸附剂对水中的磷具有较好的吸附效果，吸附能力远远高于现有的水处理陶粒，且成本低廉；该磷吸附剂可回用于河道水体处理，一方面可以解决疏浚底泥的出路，另一方面可以改善河道基底性质，进一步实现资源化利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于河道底泥的磷吸附剂以及该磷吸附剂回用于河道水体处理的应用，属于水处理技术领域。
背景技术
底泥中污染物浓度高、成分复杂，存在健康风险，大量疏浚底泥的妥善处置就成为难题。常规的填埋和土地利用都存在重金属和有机物污染风险。
现有技术中底泥的用途一般为将底泥制备成陶粒用作建筑材料或填方材料，关注的是陶粒强度和密度，将底泥陶粒作为水处理材料研究相对较少。
河道治理中常用锆、镧等金属及其改性硅藻土、沸石等高吸附容量的材料作为底泥改良剂吸附水体中磷，但锆、镧昂贵的价格以及吸附饱和后材料的处置困难使得实际应用很少。
发明内容
发明目的：针对现有技术中河道底泥污染及河道治理存在的问题，本发明提供一种基于河道底泥的磷吸附剂，并提供一种将该磷吸附剂回用于河道水体处理的应用。
技术方案：本发明所述的基于河道底泥的磷吸附剂，是以重污染河道底泥及Al2O3为原料、经高温烧结制得的底泥陶粒，原料中，Al2O3的量为河道底泥质量的3～10％。
优选的，原料中，Al2O3的量为河道底泥质量的5～9％。
上述重污染河道底泥是指重污染河道内的底泥，根据GB3838-2002地表水环境质量标准中对V类水的界定，重污染河道为水体中氨氮浓度高于2mg/L、总磷浓度高于0.4mg/L、溶解氧低于2mg/L的河道。
其中，磷吸附剂由下述步骤制得：
(1)采集重污染河道底泥，风干、研磨、过100目筛；
(2)将过筛后的河道底泥与Al2O3搅拌混合后造粒、105℃烘干3h，先升温至290～310℃预热20～40min，然后继续升温至1000～1100℃烧结5～45min，得到底泥陶粒。
步骤(1)中，可采用梯度升温的方式灼烧，优选以8～12℃/min的速率先升温至290～310℃，预热20～40min后，再以8～12℃/min的速率继续升温至1000～1100℃。
进一步的，步骤(2)中，烧结温度优选为1000～1050℃，最好为1025±1℃。烧结时间优选为5～20min，最好为14±1min。
本发明所述的基于河道底泥的磷吸附剂的应用，是将该磷吸附剂回用于河道水体处理。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)本发明的磷吸附剂以河道底泥为原料，制成的底泥陶粒对水中的磷具有较好的吸附效果，吸附能力远远高于商品陶粒、水处理污泥陶粒、钢渣陶粒等；而且，相较于其他吸附材料成本低廉；(2)本发明的磷吸附剂可回用于河道水体处理，一方面可以解决疏浚底泥的出路，可以固定重金属解决二次污染，另一方面可以改善河道基底性质，底泥陶粒上吸附的磷可为微生物、植物生长提供营养物质，可实现进一步的资源化利用。
附图说明
图1为实施例1制得的磷吸附剂的SEM图；
图2为实施例1制得的磷吸附剂的EDS能谱图；
图3为实施例1制得的磷吸附剂对磷的单位吸附量随时间变化曲线；
图4为不同烧结温度下制得的磷吸附剂对磷的单位吸附量随时间变化曲线；
图5为不同烧结时间下制得的磷吸附剂对磷的单位吸附量随时间变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
下述实施例中，以某地区重污染河道底泥为原料制备底泥陶粒，该地区重污染河道水质数据为氨氮7.5mg/L，总氮8.0mg/L，总磷0.56mg/L，COD 60mg/L，溶解氧0.2mg/L。
实施例1
采集重污染河道底泥，风干后研磨、过100目筛；然后称取Al2O3，Al2O3的添加量为底泥质量的8.10％，将过筛后的河道底泥与Al2O3搅拌混合后造粒、105℃烘干3h，以10℃/min的速率先升温至300℃预热30min，使底泥中部分有机污染物高温分解去除，然后继续以10℃/min的速率升温至1025℃烧结14min，制得底泥陶粒。
制得的底泥陶粒的SEM图如图1，可以看到，制备的底泥陶粒表面较粗糙，存在大量褶皱和孔隙，主要为中孔和介孔，微孔较少。由于烧结过程陶粒会出现液化，其中有机物氧化产生CO2、水蒸气和其他气体被包裹在液相中形成气泡，随着温度的升高，气体压力增加，最终不断膨胀并从表面逸出，在陶粒内部微孔不断扩大联通形成较大孔隙，可以为吸附提供更多的通道和吸附位点。图2为制得的底泥陶粒的EDS能谱图，可以看到，底泥陶粒中包含硅、氧、镁、铝、钙、铁等多种元素，其中镁、铝、铁含量较多，它们可以通过静电吸引与磷酸根离子结合，从而将水体中的磷去除。
取制得的底泥陶粒进行磷吸附量测试，测试方法为：取200mL的含磷水体，其中磷含量浓度为1mg/L，加入10g底泥陶粒，110rpm振荡，分别于15min、30min、1h、2h、4h、6h、8h、10h、12h、24h取样，测定不同时间体系中磷的含量，磷的测定方法参照GB11893-89钼锑抗分光光度法。测试结果如图3，可以看到，该底泥陶粒有较优的磷吸附能力，对磷的单位吸附量达21.78mg/kg。
实施例2
采集重污染河道底泥，风干后研磨、过100目筛；然后称取Al2O3，Al2O3的添加量为底泥质量的3％，将过筛后的河道底泥与Al2O3搅拌混合后造粒、105℃烘干3h，以10℃/min的速率先升温至300℃预热30min，使底泥中部分有机污染物高温分解去除，然后继续以10℃/min的速率分别升温至1000℃、1025℃、1050℃、1075℃和1100℃，烧结10min，分别制得底泥陶粒。
采用实施例1中的磷含量测定方法，分别取不同烧结温度下制得的底泥陶粒进行磷吸附量测试，测试结果如图4。
可以看到，当烧结温度为1000～1100℃时，所得底泥陶粒对磷的单位吸附量大于等于14.3mg/kg；随烧结温度升高，制得的底泥陶粒对磷的吸附能力逐渐减弱，这是由于烧结温度过高时气体逸出体积收缩，孔隙率下降，吸附位点减少，吸附能力下降；其中，烧结温度为1000～1050℃时，所得底泥陶粒对磷的吸附能力较优，单位吸附量在17.6～20.3mg/kg之间，尤其是烧结温度为1000℃时，所得底泥陶粒对磷的单位吸附量最高，达20.3mg/kg。
实施例3
采集重污染河道底泥，风干后研磨、过100目筛；然后称取Al2O3，Al2O3的添加量为底泥质量的3％，将过筛后的河道底泥与Al2O3搅拌混合后造粒、105℃烘干3h，以10℃/min的速率先升温至300℃预热30min，使底泥中部分有机污染物高温分解去除，然后继续以10℃/min的速率升温至1025℃，分别烧结5min、10min、20min、30min、45min，制得底泥陶粒。
采用实施例1中的磷含量测定方法，分别取不同烧结时间下制得的底泥陶粒进行磷吸附量测试，测试结果如图5。
可以看到，当烧结时间为5～45min时，所得底泥陶粒对磷的单位吸附量为13.6～18.5mg/kg，随烧结温度升高，所得底泥陶粒对磷的单位吸附量先升高后降低、复又升高，这是由于随烧结时间的延长，陶粒的膨胀率增大，产生较多孔隙，比表面积增加，能够提供更多的吸附位点，烧结时间继续增长则出现熔融产生玻璃相，气体逸出体积收缩，孔隙率下降，吸附位点也相应减少，吸附量下降，进一步延长烧结时间后，陶粒发生熔融其内部晶体结构发生了变化，暴露出具有吸附活性的Al、Mg，因而吸附量又会有所回升；其中，当烧结时间为5～20min内时，所得底泥陶瓷对磷的吸附能力较好，同时能耗较低；尤其是烧结时间为10min左右时，所得底泥陶粒对磷的单位吸附量最高。
实施例4
采集重污染河道底泥，风干后研磨、过筛；然后分别称取添加量为底泥质量3％、5％、7％、9％、10％的Al2O3，将过筛后的河道底泥与Al2O3搅拌混合后造粒、烘干，以10℃/min的速率先升温至300℃预热30min，使底泥中部分有机污染物高温分解去除，然后继续以10℃/min的速率升温至1025℃，烧结10min，分别制得底泥陶粒。
采用实施例1中的磷含量测试方法，分别取不同Al2O3添加量的底泥陶粒进行磷吸附量测试，测试结果如下表1。
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>添加量(wt％) | 底泥陶粒对磷的单位吸附量(mg/kg) |
| 3％ | 19.02 |
| 5％ | 19.32 |
| 7％ | 19.65 |
| 9％ | 19.40 |
| 10％ | 16.98 |
可以看到，当Al2O3添加量为3～10％时，所得底泥陶粒对磷均有较优的吸附能力；随Al2O3添加量的提高，所得底泥陶瓷对磷的单位吸附量先升高后降低，这是因为Al2O3能够提供充足的Al3+形成稳定的铝氧四面体，和硅氧四面体共同构成陶粒的骨架结构，增强陶粒的强度和可塑性，由于其熔点高、离子键较强，当陶粒内部发生熔融时能够在表面形成致密结构阻止气体逸出，从而使得形成的孔隙更加均匀，但含量过高则需提高烧结温度，否则不利于陶粒烧结过程中晶体的形成，表面孔隙相应增大，影响膨胀性能，生成微孔和中孔较少，吸附性能也会随之降低；其中，当Al2O3添加量为5％～9％内时，所得底泥陶瓷对磷的吸附能力最优。
Claims (8)
1.一种基于河道底泥的磷吸附剂，其特征在于，所述磷吸附剂为以重污染河道底泥及Al2O3为原料、经高温烧结制得的底泥陶粒，原料中，Al2O3的量为重污染河道底泥质量的3～10％。
2.根据权利要求1所述的基于河道底泥的磷吸附剂，其特征在于，所述Al2O3的量为重污染河道底泥质量的5～9％。
3.根据权利要求1所述的基于河道底泥的磷吸附剂，其特征在于，所述重污染河道底泥为水体中氨氮浓度高于2mg/L、总磷浓度高于0.4mg/L、且溶解氧低于2mg/L的重污染河道内的底泥。
4.根据权利要求1所述的基于河道底泥的磷吸附剂，其特征在于，所述磷吸附剂由下述步骤制得：
(1)采集重污染河道底泥，风干、研磨、过100目筛；
(2)将过筛后的河道底泥与Al2O3搅拌混合后造粒、105℃烘干3h，先升温至290～310℃预热20～40min，然后继续升温至1000～1100℃烧结5～45min，得到底泥陶粒。
5.根据权利要求4所述的所述的基于河道底泥的磷吸附剂，其特征在于，步骤(2)中，以8～12℃/min的速率先升温至290～310℃，预热20～40min后，再以8～12℃/min的速率继续升温至1000～1100℃。
6.根据权利要求4所述的所述的基于河道底泥的磷吸附剂，其特征在于，步骤(2)中，所述烧结温度为1000～1050℃。
7.根据权利要求4所述的所述的基于河道底泥的磷吸附剂，其特征在于，步骤(2)中，所述烧结时间为5～20min。
8.一种权利要求1所述的基于河道底泥的磷吸附剂回用于河道水体处理的应用。
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