磁性镧改性镁铁水滑石/生物炭去除污水中的磷

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2024-0375

摘要/Abstract

摘要：

生物炭（BC）由于具备丰富的孔隙结构和表面官能团，在污水除磷方面受到广泛研究，但其吸附容量偏低、缺乏选择性等缺点仍有待改进。通过两次共沉淀将四氧化三铁（Fe₃O₄）和镧改性镁铁水滑石（La-MgFe-LDH）依次负载到玉米秸秆生物炭（BC_m）上，制备出磁性镧改性镁铁水滑石/生物炭复合吸附剂（La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄），并通过静态磷酸盐吸附实验和实际污水除磷实验探究其除磷性能。结果表明，La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄对磷酸盐具有较高的吸附容量（48.75 mg/g，以P计），极快的除磷速度（60 min达到吸附平衡）以及优异的pH（3~11）适应性和抗干扰能力。La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄对生活污水和二沉池出水中的总磷也有很好的去除效果。复合吸附剂层间的碳酸根与磷酸盐之间的阴离子交换作用以及复合吸附剂中金属离子和磷酸盐之间的表面络合作用是主要除磷机制。La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄具备实际污水除磷的应用前景。

关键词: 生物炭, 水滑石, 磁改性, 磷, 吸附, 生活污水

Abstract:

Biochar(BC) has been widely studied for phosphorus removal from wastewater due to its rich pore structure and surface functional groups, but its poor adsorption capacity and lack of selectivity still need to be improved. Magnetic lanthanum-modified magnesium iron hydroxide/biochar composite adsorbent(La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄) was prepared by co-precipitation of ferroferric oxide(Fe₃O₄) and lanthanum-modified magnesium iron hydroxide(La-MgFe-LDH) on corn stalk biochar(BC_m) in turn. The phosphorus removal performance was investigated by static phosphate adsorption experiment and actual wastewater phosphorus removal experiment. The results showed that La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄ had a high adsorption capacity for phosphate(48.75 mg/g, calculated as P), extremely fast phosphorus removal rate(reaching adsorption equilibrium in 60 minutes), excellent pH(3-11) adaptability and resistance to disturbance. Furthermore, La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄ also had good removal effect on total phosphorus in domestic sewage and secondary sedimentation tank effluent. The main mechanism of phosphorus removal was the anion exchange between carbonate and phosphate and the surface complexation between metal ions in composite adsorbent and phosphate. La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄ had the prospect of phosphorus removal from actual wastewater.

Key words: biochar, hydrotalcite, magnetic modification, phosphorus, adsorption, domestic sewage

中图分类号:

X52
TQ424

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https://www.iwt.cn/CN/Y2025/V45/I5/71

图/表 16

表1 污水水质参数

Table 1 Water quality parameters of sewage

项目	pH	TOC/（mg·L^-1）	TN/（mg·L^-1）	TP/（mg·L^-1）	浊度/NTU	NO₃ ^-/（mg·L^-1）	SO₄ ^2-/（mg·L^-1）	电导率/（μS·cm^-1）
生活污水	8.21	26.37	20.74	4.20	9.76	14.24	55.76	1 057.00
二沉池出水	7.36	4.76	7.52	0.61	0.62	6.87	56.62	758.00

图1 BC_m@Fe₃O₄和La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄的XRD图谱

Fig.1 XRD spectra of BC_m@Fe₃O₄ and La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄

图2 La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄的VSM表征图（a）和磁分离实验照片（b）

Fig.2 VSM characterization diagram（a） and magnetic separation experiment photo（b） of La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄

图3 不同放大倍数下吸附剂的SEM图像

Fig.3 SEM images of the adsorbents at different magnifications

表2 3种吸附剂中各元素的质量分数

Table 2 Mass fraction of each element in the three composite adsorbents

吸附剂	C/%	O/%	Fe/%	Mg/%	La/%	P/%
BC_m	67.8	32.2	—	—	—	—
BC_m@Fe₃O₄	29.0	20.3	50.7	—	—	—
La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄	70.0	9.0	13.1	1.2	6.6	—

图4 La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄的吸附动力学实验结果

Fig.4 Adsorption kinetics experiment results of La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄

表3 La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄吸附动力学的拟合参数

Table 3 Fitting parameters for the adsorption kinetics of La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄

准一级吸附动力学模型			准二级吸附动力学模型
q _e，1/（mg·g^-1）	k ₁/min^-1	R ²	q _e，2/（mg·g^-1）	k ₂/（g·mg^-1·min^-1）	R ²
19.99	0.175	0.965	20.92	0.014	0.997

图5 BC_m和La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄的吸附等温实验结果

Fig.5 Adsorption isothermal experiment results of BC_m and La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄

表4 BC_m和La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄吸附等温实验的拟合参数

Table 4 Fitting parameters for adsorption isothermalexperiments of BC_m and La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄

R²

BC_m

La-MgFe-LDH/

BC_m@Fe₃O₄

表5 不同吸附剂对磷酸盐吸附容量的比较

Table 5 Comparison of phosphate adsorption capacity of different adsorbents

吸附剂	吸附剂组分	金属元素间的物质的量比	投加量/（g·L^-1）	吸附时间/h	比表面积/（m²·g^-1）	吸附容量/（mg·g^-1）	k _L/（L·mg^-1）	参考文献
MgFe-LDH/BC	Mg²⁺、Fe³⁺、香蒲生物炭	n（Mg）∶n（Fe）=2∶1	0.5	24	43.2	50.61	0.22	〔12〕
CR-LDH	Ca²⁺、Al³⁺、Si²⁺、Fe³⁺	—	5.0	24	42.5	16.06	1.53	〔16〕
Mg-Al LDH	Mg²⁺、Al³⁺	n（Mg）∶n（Al）=2∶1	—	24	104.0	31.30	0.25	〔17〕
Fe-Mn LDH	Fe²⁺、Fe³⁺、Mn⁷⁺	n（Fe）∶n（Mn）=6∶1	0.2	24	—	33.20	—	〔18〕
Fe₃O₄@NiAl-LDH	Ni²⁺、Al³⁺、Fe₃O₄	n（Ni）∶n（Al）=2∶1	2.0	—	50.9	26.50	0.31	〔19〕
Fe₃O₄@MgAl-LDH	Mg²⁺、Al³⁺、Fe₃O₄	n（Mg）∶n（Al）=2∶1	2.0	—	71.9	31.70	0.73	〔19〕
ZnAl-LDH	Zn²⁺、Al³⁺	n（Zn）∶n（Al）=2∶1	—	72	51.9	27.07	5.046	〔20〕
Fe-Si-La	Fe₃O₄、SiO₂、La₂O₃	—	1.0	24	47.7	27.80	0.22	〔21〕
Phoslock	La₂O₃、SiO₂、Al₂O₃	—	0.05~5.0	—	39.3	9.47	—	〔22〕
La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄	La³⁺、Mg²⁺、Fe³⁺、玉米秸秆生物炭	n（Mg）∶n（Fe）∶n（La）=2∶0.5∶0.5	0.2	24	63.12	48.75	4.68	本研究

图6 初始溶液pH对La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄除磷性能的影响

Fig.6 Effect of initial solution pH on the phosphorus removal performance of La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄

图7 共存阴离子（a）和HA（b）对La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄除磷性能的影响

Fig.7 Effect of coexistence anion（a） and HA（b） on phosphorus removal performance of La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄

图8 不同投加量下La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄对生活污水（a）和二沉池出水（b）中总磷的去除效果

Fig.8 Removal of total phosphorus from domestic sewage（a） and secondary sedimentation tank effluent（b） by La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄ at different dosages

图9 La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄吸附磷酸盐前后的XRD图谱（a）和FTIR光谱（b）

Fig.9 XRD patterns（a） and FTIR spectra（b） before and after phosphate adsorption by La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄

图10 不同放大倍数下La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄吸附磷后的SEM

Fig.10 SEM images of La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄ after phosphate adsorption at different magnifications

表6 吸附后La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄中各元素的质量分数

Table 6 Mass fraction of each element in La-MgFe-LDH/BC_m@Fe₃O₄ after adsorption

项目	C/%	O/%	Fe/%	Mg/%	La/%	P/%
数值	46.9	17.6	18.2	1.2	11.5	4.6

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