纳米羟基铁改性阴离子交换树脂用于富营养化水体中磷的吸附净化

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-0360

摘要/Abstract

摘要：

为探索一种改良的磷酸盐吸附材料，以优化其在去除富营养化水体中无机磷的应用效果，提出了一种纳米羟基铁（FeOOH）与阴离子交换树脂D-201复合的方法。首先将FeOOH分散于阴离子交换树脂D-201中，得到FeOOH@D-201复合树脂。然后进行批量吸附实验，通过比较FeOOH@D-201与纯D-201对磷酸盐的吸附量来评估其改善程度。并采用准二级动力学模型和Langmuir吸附等温线模型进行拟合，从而分析复合树脂的吸附过程及其机理。结果表明，FeOOH@D-201复合树脂的最大磷酸盐吸附量达到了132.1 mg/g，比纯D-201的吸附量提高了46%，突破了常规阴离子交换树脂在去除无机磷应用中的局限性。模型拟合结果表明，其吸附过程与准二级动力学模型和Langmuir模型较吻合，推断吸附机理主要是静电吸引和配位络合的共同作用。FeOOH@D-201经过5次醋酸脱附-吸附再生循环后，吸附剂去除磷酸盐的能力仍然保持在70.4%以上，证实了复合树脂的良好再生性能。

关键词: 纳米羟基铁, 阴离子交换树脂, 吸附除磷

Abstract:

The purpose of this study was to explore an improved phosphate adsorption material to optimize its application in the removal of inorganic phosphorus from eutrophic water. In this paper, a composite method of nano-hydroxyl iron (FeOOH) and anion exchange resin D-201 was proposed. FeOOH@D-201 composite resin was initially obtained by dispersing nano-hydroxyl iron in anion exchange resin D-201. Then, batch adsorption experiments were carried out to evaluate the improvement by comparing the phosphate adsorption capacity of FeOOH@D-201 and pure D-201. The quasi-second-order kinetic model and Langmuir adsorption isotherm model were fitted to analyze the adsorption process and mechanism of the composite resin. The results showed that the maximum phosphate adsorption capacity of FeOOH@D-201 composite resin was 132.1 mg/g, which was 46% higher than that of pure D-201, and broken through the limitations of conventional anion exchange resin in the removal of inorganic phosphorus. The model fitting results showed that the adsorption process was in good agreement with the quasi-second-order kinetic model and Langmuir model, and it was inferred that the adsorption mechanism was mainly electrostatic attraction and coordination. After five acetic acid desorption and adsorption regeneration cycles of FeOOH@D-201, the phosphate removal ability of the adsorbent remained above 70.4%, which confirmed the good regeneration performance of the composite resin.

Key words: nano-hydroxyl iron, anion exchange resin, phosphorus removal by adsorption

中图分类号:

X703.1

李曼, 祁丽, 彭静波. 纳米羟基铁改性阴离子交换树脂用于富营养化水体中磷的吸附净化[J]. 工业水处理, 2024, 44(5): 88-94.

Man LI, Li QI, Jingbo PENG. Adsorption and purification of phosphorus from eutrophication water by nano-sized goethite modified anion exchange resin[J]. Industrial Water Treatment, 2024, 44(5): 88-94.

https://www.iwt.cn/CN/Y2024/V44/I5/88

图/表 11

图1 负载α-FeOOH前（a、b）后（c、d）D-201的SEM

Fig.1 SEM images of D-201 before （a，b） and after （c，d） loading α-FeOOH

图2 负载α-FeOOH前（a）后（b）D-201树脂的XRD

Fig.2 XRD images of D-201 resin before （a）and after （b） α-FeOOH loading

图3 FeOOH@D-201的XPS谱图

Fig.3 XPS spectrum of FeOOH@D-201

图4 pH对FeOOH@D-201 Zeta电位的影响

Fig.4 Effect of pH on FeOOH@D-201 Zeta potential

图5 D-201树脂改性前后对磷吸附的动力学拟合图谱

Fig.5 Pseudo second order kinetics for phosphorus adsorption on D-201 resin before and after modification

表1 两种树脂对磷酸盐的准二级动力学模型拟合参数

Table 1 Two resins for phosphate for As（Ⅲ） adsorption

树脂	准二级动力学模型
树脂	q _e/（mg∙g^-1）	k ₁/（g∙mg^-1∙min^-1）	R ²
D-201	12.8	0.004 51	0.904
FeOOH@D-201	24.4	0.001 04	0.931

图6 D-201树脂改性前后对磷的吸附等温线

Fig.6 Phosphorus adsorption isotherm of D-201 resin before and after modification

表2 等温吸附模型拟合参数

Table 2 Fitting parameters of isothermal adsorption model

样品	Langmuir			Freundlich
样品	q _e/（mg∙g^-1）	K _L	R ²	n	K _F	R ²
D-201	90.3	0.004 29	0.987	1.17	15.2	0.928
FeOOH@D-201	132.1	0.007 26	0.996	1.28	18.4	0.933

图7 溶液pH对磷酸盐去除效率的影响

Fig.7 Effect of solution pH on phosphate removal efficiency

图8 共存离子（Cl^-、SO₄ ^2-、CO₃ ^2-和NO₃ ^-）对磷酸盐去除效率的影响

Fig.8 Effect of co-existing ion（Cl^-，SO₄ ^2-，CO₃ ^2- and NO₃ ^-） on phosphate removal efficiency

图9 循环次数对除磷效率的影响

Fig.9 Effect of cycle number on phosphorus removal efficiency

参考文献 22

1	金玲. 水体的富营养化及其治理对策［J］. 生物技术世界，2012，10（9）：18.
	JIN Ling. Eutrophication of water body and its control countermeasures［J］. Biotech World，2012，10（9）：18.
2	项平. 湖库水体富营养化及磷模型［J］. 环境导报，1994（5）：17-19.
	XIANG Ping. Eutrophication and phosphorus model of lakes and reservoirs［J］. Environment Herald，1994（5）：17-19.
3	NIXON S W. Coastal marine eutrophication：A definition，social causes，and future concerns［J］. Ophelia，1995，41（1）：199-219. doi:10.1080/00785236.1995.10422044
4	沈耀良，玉宝贞. 废水生物除磷工艺中聚磷菌的作用机制及运行控制要点［J］. 环境科学与技术，1995，18（2）：11-16.
	SHEN Yaoliang， YU Baozhen. Mechanism and operation control points of phosphorus accumulating bacteria in biological phosphorus removal process of wastewater［J］. Environmental Science & Technology，1995，18（2）：11-16.
5	姜均达，吴勇远. 城市污水处理厂生物脱氮除磷工艺的选择分析［J］. 绿色环保建材，2017（1）：155-156.
	JIANG Junda， WU Yongyuan. Selection and analysis of biological nitrogen and phosphorus removal process in municipal sewage treatment plant［J］. Green Environmental Protection Building Materials，2017（1）：155-156.
6	LESJEAN B， GNIRSS R， ADAM C. Process configurations adapted to membrane bioreactors for enhanced biological phosphorous and nitrogen removal［J］. Desalination，2002，149（1/2/3）：217-224. doi:10.1016/s0011-9164(02)00762-2
7	丁文明，黄霞. 废水吸附法除磷的研究进展［J］. 环境污染治理技术与设备，2002（10）：23-27. doi:10.1007/978-3-662-04806-1_10
	DING Wenming， HUANG Xia. Progress of studies on phosphorus removal from wastewater by adsorbents［J］. Technigues and Equipment for Enviro. Poll. Cont.，2002（10）：23-27. doi:10.1007/978-3-662-04806-1_10
8	张红，缪恒锋，阮文权，等. 铁负载阴离子交换树脂高效除磷研究［J］. 环境工程学报，2015，9（1）：25-31. doi:10.12030/j.cjee.20150105
	ZHANG Hong， MIAO Hengfeng， RUAN Wenquan，et al. High-efficient adsorption of phosphate by iron ion loaded anion exchange resin［J］. Chinese Journal of Environmental Engineering，2015，9（1）：25-31. doi:10.12030/j.cjee.20150105
9	顾景景，安莹，姚杰，等. 氢氧化铝吸附除磷性能及影响因素［J］. 净水技术，2019，38（12）：93-98.
	GU Jingjing， AN Ying， YAO Jie，et al. Performance and influencing factors of phosphorus adsorption removal by aluminum hydroxide［J］. Water Purification Technology，2019，38（12）：93-98.
10	吴梦，张大超，徐师，等. 废水除磷工艺技术研究进展［J］. 有色金属科学与工程，2019，10（2）：97-103. doi:10.13264/j.cnki.ysjskx.2019.02.014
	WU Meng， ZHANG Dachao， XU Shi，et al. Research progress of dephosphorization technology on wastewater［J］. Nonferrous Metals Science and Engineering，2019，10（2）：97-103. doi:10.13264/j.cnki.ysjskx.2019.02.014
11	唐朝春，陈惠民，刘名，等. 利用吸附法除磷研究进展［J］. 工业水处理，2015，35（7）：1-4. doi:10.11894/1005-829x.2015.35(7).001
	TANG Chaochun， CHEN Huimin， LIU Ming，et al. Research progress in the use of adsorption for dephosphorization［J］. Industrial Water Treatment，2015，35（7）：1-4. doi:10.11894/1005-829x.2015.35(7).001
12	李悦芳. 金属氧化物纳米粒子的分散及其环氧改性进展［J］. 热固性树脂，2015，30（5）：67-70.
	LI Yuefang. Research advances in dispersion techniques and application of metal oxide nanoparticles for epoxy modifications［J］. Thermosetting Resin，2015，30（5）：67-70.
13	王雪勤. 金属氧化物/阴离子交换树脂的制备及其光催化性能的研究［D］. 芜湖：安徽工程大学，2016. doi:10.1007/978-3-662-44324-8_1420
	WANG Xueqin. Preparation of metal oxide/anion exchange resin and its photocatalytic performance［D］. Wuhu：Anhui Polytechnic University，2016. doi:10.1007/978-3-662-44324-8_1420
14	IIJIMA T， HAYASHI N， OYAMA T，et al. Modification of bismaleimide resin by soluble poly（ester imide） containing trimellitimide moieties［J］. Polymer International，2004，53（10）：1417-1425. doi:10.1002/pi.985
15	IIJIMA T， NISHINA T， FUKUDA W，et al. Effect of matrix compositions on modification of bismaleimide resin by N-phenylmaleimide-styrene copolymers［J］. Journal of Applied Polymer Science，1996，60（1）：37-45. doi:10.1002/(sici)1097-4628(19960404)60:1<37::aid-app5>3.0.co;2-w
16	左卫元，仝海娟，李健，等. 锰氧化物改性离子交换树脂对甲醛的吸附研究［J］. 无机盐工业，2017，49（1）：15-18.
	ZUO Weiyuan， TONG Haijuan， LI Jian，et al. Adsorption of formaldehyde by manganese oxide modified ion exchange resin［J］. Inorganic Chemicals Industry，2017，49（1）：15-18.
17	岳先名，李国莲，李振宇，等. 镁铝双氢氧化物改性D331树脂对磷的吸附性能研究［J］. 安徽建筑大学学报，2019，27（1）：50-56.
	YUE Xianming， LI Guolian， LI Zhenyu，et al. Adsorption properties of Mg-Al-LDH modified D331 resin on phosphorus［J］. Journal of Anhui Jianzhu University，2019，27（1）：50-56.
18	谭雪云，李冰，李平，等. 纳米羟基铁改性阳离子树脂制备及去除Cd（Ⅱ）［J］. 水处理技术，2019，45（6）：56-60.
	TAN Xueyun， LI Bing， LI Ping，et al. Preparation of cationic resin modified with nano-sized goethite and its application for Cd（Ⅱ） removal［J］. Technology of Water Treatment，2019，45（6）：56-60.
19	梁运江，谢修鸿，许广波，等. 磷钼蓝比色法合适工作波长及线性范围的探讨［J］. 中国环境监测，2007，23（1）：35-37. doi:10.3969/j.issn.1002-6002.2007.01.011
	LIANG Yunjiang， XIE Xiuhong， XU Guangbo，et al. Studied on proper wavelength and linear range in the colorimetry of phospho-molybdenumblue［J］. Environmental Monitoring in China，2007，23（1）：35-37. doi:10.3969/j.issn.1002-6002.2007.01.011
20	AMSTAETTER K， BORCH T， LARESE-CASANOVA P，et al. Redox transformation of arsenic by Fe（Ⅱ）-activated goethite（α-FeOOH）［J］. Environmental Science & Technology，2010，44（1）：102-108. doi:10.1021/es901274s
21	李敏，宗栋良. 混凝中Zeta电位的影响因素［J］. 环境科技，2010，23（3）：9-11. doi:10.3969/j.issn.1674-4829.2010.03.003
	LI Min， ZONG Dongliang. Influence factors on Zeta potential in coagulation［J］. Environmental Science and Technology，2010，23（3）：9-11. doi:10.3969/j.issn.1674-4829.2010.03.003
22	吴世娇. 介孔多晶型FeOOH和树脂负载FeOOH去除Cr（Ⅵ）废水的效能和机理研究［D］. 广州：广东工业大学，2016. doi:10.1039/c6ra14522a
	WU Shijiao. Study on the efficiency and mechanism of removing Cr（Ⅵ） wastewater by mesoporous polycrystalline FeOOH and resin-loaded FeOOH［D］. Guangzhou：Guangdong University of Technology，2016. doi:10.1039/c6ra14522a

[1]	陈亚松, 苗时雨, 张驰, 李明然, 王佳琪, 张燕羽, 姜伟. 除磷吸附材料的制备及吸附机制研究进展[J]. 工业水处理, 2025, 45(2): 1-9.
[2]	徐丽,徐子祥. 沸石的改性工艺及其吸附除磷特性研究[J]. 工业水处理, 2021, 41(9): 135-139.
[3]	吕淑清,田双超,李鹤超,吴军,包宇航,王学明,肖本益. 固体废弃物吸附除磷研究现状[J]. 工业水处理, 2020, 40(5): 1-7.
[4]	郝亚超,张成凯,李亚宁,周立山,付春明,肖彩英,郝润秋,刘琪,李亮. 树脂耦合电渗析脱除MDEA废液中热稳定盐试验[J]. 工业水处理, 2020, 40(12): 49-53.
[5]	王冠宁, 王亮, 张朝晖, 杨晓明, 董冰洁, 陈倩倩. 磁性阴离子交换树脂(MIEX^®)再生工艺的研究[J]. 工业水处理, 2015, 35(8): 37-41.
[6]	朱兴宝. 离子交换树脂的重金属污染[J]. 工业水处理, 1990, 10(1): 38-40.

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