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基本信息

項(xiàng)目名稱：
廢水除磷免燒材料的結(jié)構(gòu)及性能研究
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
本作品充分利用牡蠣殼特殊的物理構(gòu)造和化學(xué)成分，經(jīng)科學(xué)處理，制備一種高效、長(zhǎng)效、多功能、無(wú)二次污染問(wèn)題的廢水凈化吸附劑，可同時(shí)高效去除廢水中的磷及鉛等重金屬離子，吸附劑成本低，使用簡(jiǎn)單方便，可反復(fù)回收使用，以廢治污，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和社會(huì)價(jià)值。本參賽論文闡述了一種免燒工藝制備牡蠣殼質(zhì)廢水凈化材料，探討了配方及環(huán)境因素對(duì)除磷效果的影響并對(duì)材料進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)表征，已發(fā)表英文論文1篇，并SCI收錄。
詳細(xì)介紹：
目前，國(guó)內(nèi)外除磷方法主要有以下三種，但各種方法都存在著不同的缺陷：（1）化學(xué)沉淀法的最大缺陷就是引入了新的化合物，而且該法的試劑消耗量大，運(yùn)行費(fèi)用高，產(chǎn)生大量無(wú)用且易造成二次污染的化學(xué)污泥；（2）生物法除磷對(duì)廢水中有機(jī)物濃度依賴性很強(qiáng)，當(dāng)廢水中有機(jī)物含量較低，或磷含量超過(guò)10mg/L時(shí)，處理后的出水不能滿足磷的排放標(biāo)準(zhǔn)，因此，往往需要對(duì)出水進(jìn)行二次除磷處理；（3）吸附法是目前最有前途的一種脫磷方法，具有投資少，處理效率較高等特點(diǎn)，但除磷效率仍都待進(jìn)一步提高，而且因目前的吸附劑都以粉料形式投放，導(dǎo)致淤泥增多，回收困難，二次污染更為嚴(yán)重?？偟脕?lái)說(shuō)成本高或難以回收利用是制約目前廢水除磷材料的技術(shù)瓶頸。在這種背景下，我們對(duì)利用率很低、產(chǎn)量很大且會(huì)污染環(huán)境的牡蠣殼廢棄物加以充分利用。在我們之前的研究中發(fā)現(xiàn)，牡蠣殼具有高度發(fā)達(dá)的孔隙，具有良好的吸附能力，以前我們通過(guò)將牡蠣殼磨細(xì)-加入硅微粉改性-成型-燒結(jié)-水熱等工藝制備了可反復(fù)回收使用的廢水凈化樣品，這樣的樣品對(duì)廢水中的磷和鉛等重金屬去除效果優(yōu)異，同時(shí)，持續(xù)除磷及鉛效果很好，但是樣品制備的工藝比較復(fù)雜，由于需要高溫處理，成本較高，因此在我的工作中，主要從降低成本的角度，選用水泥等結(jié)合劑，不用燒結(jié)而制備一種可回收的廢水凈化樣品。我們首先通過(guò)不同配方的強(qiáng)度、吸附效果的測(cè)定，結(jié)合除磷效率、經(jīng)濟(jì)效益等因素，確定一個(gè)最佳配方，之后，在這個(gè)配方的基礎(chǔ)上測(cè)定溫度、PH值等外界因素對(duì)除磷效果的影響，最后通過(guò)XRD、SEM等性能表征，對(duì)一些現(xiàn)象做進(jìn)一步深入探討、總結(jié)。最終得出以下結(jié)論： (1) 利用水泥添加劑免燒法制備廢水除磷材料，工藝簡(jiǎn)單，成本低，效果好； (2) 含水泥10wt%和牡蠣殼粉末90wt%的試樣，養(yǎng)護(hù)28天后抗折強(qiáng)度為12.26MPa，最大彎曲力67.57N。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度30℃條件下，2天后的除磷率達(dá)到93.2%，確定為最佳配方； (3) 提高環(huán)境溫度有利于提高材料的除磷效率，在中性與堿性條件下，該材料的除磷效果最佳。 (4) 水泥礦物與牡蠣殼粉共同水化會(huì)形成網(wǎng)狀、片狀物，這些片狀物容容易搭接形成多微孔結(jié)構(gòu)，有利于除磷。磷容易在這些結(jié)構(gòu)上以CaHPO4的形式析出，呈片狀組織疊堆在一起，這與XRD測(cè)試結(jié)果合。

作品圖片

  • 廢水除磷免燒材料的結(jié)構(gòu)及性能研究
  • 廢水除磷免燒材料的結(jié)構(gòu)及性能研究
  • 廢水除磷免燒材料的結(jié)構(gòu)及性能研究
  • 廢水除磷免燒材料的結(jié)構(gòu)及性能研究
  • 廢水除磷免燒材料的結(jié)構(gòu)及性能研究

作品專業(yè)信息

撰寫(xiě)目的和基本思路

目的：利用牡蠣殼這一具有豐富天然多孔結(jié)構(gòu)的生物資源，經(jīng)科學(xué)改性，研制出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可在使用過(guò)程中繼續(xù)搭建與生長(zhǎng)的新一代高效、長(zhǎng)效、多效及無(wú)二次污染問(wèn)題的廢水凈化吸附劑，并探索材料吸附機(jī)理。思路：通過(guò)添加適量結(jié)合劑，采用免燒工藝制備不易破損、可反復(fù)使用的凈化材料；探討各種環(huán)境因素對(duì)吸附性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響，確定制備和使用條件。從原料、制備工藝和產(chǎn)品使用等全過(guò)程體現(xiàn)“綠色、生態(tài)”。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

(1) 利用牡蠣殼具有豐富發(fā)達(dá)的天然多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)合成了三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)吸附劑，使用原料、改性工藝、合成路線及合成產(chǎn)物特性均具獨(dú)創(chuàng)性。 (2) 從吸附機(jī)理上突破傳統(tǒng)基于物理或化學(xué)吸附存在的易飽和，容量低，效果單一的局限，本吸附劑的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)在吸附過(guò)程中的繼續(xù)搭建與生長(zhǎng)，具備高效、長(zhǎng)效、大容量的特點(diǎn)，具有傳統(tǒng)吸附劑不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

本課題研究樣品，經(jīng)科學(xué)改性，建立持續(xù)除磷機(jī)制，采用吸附法與化學(xué)法相結(jié)合方式，解決制約除磷材料回收再生等科學(xué)與技術(shù)難題。除可用于工、農(nóng)業(yè)等各種廢水的治理之外，還可用于大面積富營(yíng)養(yǎng)化水體的治理，特別符合我國(guó)牡蠣殼廢棄污染與封閉或半封閉性水體較多易富營(yíng)養(yǎng)化均需治理的實(shí)際情況。如能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，則能轉(zhuǎn)換牡蠣殼廢棄物為一種重要工業(yè)原料，并有效去除各種污水中的磷，解決水體的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題，環(huán)保和社會(huì)意義重大。

學(xué)術(shù)論文摘要

用牡蠣殼和水泥為主要原料，不經(jīng)燒結(jié)制備空心管狀可回收的廢水除磷材料，探討各種不同影響因素對(duì)樣品的除磷效果，從而選擇最佳除磷工藝條件。采用SEM及XRD表征樣品的微觀結(jié)構(gòu)及組成，用磷鉬藍(lán)分光光度法測(cè)定廢水中磷的含量。結(jié)果表明含水泥10wt%、牡蠣殼粉末90wt%，在30℃條件下，除磷時(shí)間2天時(shí)的除磷率達(dá)到93.3%；SEM分析顯示除磷后樣品表面出現(xiàn)片狀結(jié)構(gòu)含磷化合物，堆疊在一起，仍保持多孔結(jié)構(gòu)；結(jié)果還顯示提高環(huán)境溫度有利于提高材料的除磷效率；在中性與堿性條件下，該材料的除磷效果最佳。

獲獎(jiǎng)情況

2010年11月于SCI收錄期刊《Chinese Journal of Structural Chemistry》(結(jié)構(gòu)化學(xué))第29卷第11期發(fā)表《A Study on the Structure and Behavior of Sinter-free Material for Phosphorous Removal from Waste Water》論文一篇。

鑒定結(jié)果

該論文有一定理論深度，所述除磷技術(shù)具有顯著的創(chuàng)新性且簡(jiǎn)單易行，除磷效果優(yōu)異，可為進(jìn)一步推廣和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)，從而為同時(shí)解決嚴(yán)重的水體和牡蠣殼污染問(wèn)題提供新思路，以廢治污，應(yīng)用前景廣闊。--于巖

參考文獻(xiàn)

[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(通訊作者). [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(通訊作者). [4] 黃艷, 于巖, 吳任平, 顏俊瑜. 硅藻土/牡蠣殼制備可回收廢水除磷材料的研究. 福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009, 37(3): 452-456(通訊作者). [5] Y. Yu. Activated Alumina Adsorbent Developed from Waste Aluminum Sludge, Key Engineering Materials, 2007, 336-338:186-1888. [6] 發(fā)明專利: 利用牡蠣殼制備可回收廢水除磷材料的原料配方及制備方法. 專利號(hào): ZL 200710009855.0

同類課題研究水平概述

采用吸附法除廢水中的磷及各種重金屬污染物以其使用簡(jiǎn)便，穩(wěn)定可靠成為最有前途的廢水凈化方法。目前有報(bào)道的吸附劑種類較多，但歸根結(jié)底，其吸附原理仍歸屬于傳統(tǒng)的物理吸附和化學(xué)吸附兩種。其中物理吸附指在吸附過(guò)程中被吸附離子的化學(xué)性質(zhì)保持不變；在系統(tǒng)的溫度和壓力以及各組分的濃度一定的情況下，吸附劑的吸附容量取決于其比表面積的大小?；瘜W(xué)吸附過(guò)程則可以看成為相界面上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，吸附質(zhì)與吸附劑之間形成的結(jié)合方式是化學(xué)鍵。吸附劑內(nèi)存在固定的吸附位，而且被吸附離子不能沿吸附劑表面移動(dòng)。因此概括來(lái)看，迄今為止所報(bào)道的廢水凈化吸附劑，無(wú)論其吸附機(jī)理是物理吸附還是化學(xué)吸附或者二者兼具，普遍存在以下缺點(diǎn)：（1）具有選擇性，功效單一?，F(xiàn)有的吸附劑通常只對(duì)廢水中的某一種污染物具有吸附作用，而處理多種污染物的復(fù)雜水體則效果不佳。（2）飽和性。從吸附機(jī)理上講，無(wú)論是何種性質(zhì)的物理吸附還是化學(xué)吸附，吸附產(chǎn)物在吸附劑表面富集后都會(huì)封閉表面，阻止吸附劑進(jìn)一步發(fā)揮作用，因此目前國(guó)內(nèi)外報(bào)道的吸附劑無(wú)論吸附容量高低，都存在吸附飽和的問(wèn)題。（3）吸附容量與可回收再生的矛盾性。吸附劑的比表面積與吸附效果成正比，而成型后的吸附劑雖然易回收再生，但由于可利用的比表面積下降而造成吸附效率和吸附容量大大降低，因此，為了提高吸附作用效果，現(xiàn)有的大部分吸附劑以粉料形式投放，導(dǎo)致淤泥增多，回收困難，二次污染更為嚴(yán)重。部分可回收再生的吸附劑則由于活性比表面小而造成吸附效果不理想。 針對(duì)現(xiàn)有廢水凈化吸附劑存在的以上問(wèn)題，我們?cè)O(shè)想如果能從吸附劑的作用機(jī)理上尋求一種突破，設(shè)計(jì)一種可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自組裝優(yōu)化的多孔吸附劑載體：以此載體為骨架和核心，在吸附過(guò)程中，吸附產(chǎn)物可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)在載體上有序的沉積，繼續(xù)形成多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不但不會(huì)封閉原有吸附劑的活性表面，而且創(chuàng)造更多的活性中心吸附點(diǎn)，使對(duì)更多的污染物起作用，且可持續(xù)起效，則可從根本上解決以上3種問(wèn)題，制備一種可在多重污染水體中持續(xù)起效的可回收創(chuàng)新型吸附劑。 正是在以上思路的啟發(fā)下，我們用具有天然多孔結(jié)構(gòu)的牡蠣殼為主要原料，經(jīng)科學(xué)處理，制備可反復(fù)回收使用的新型高效、長(zhǎng)效、多效廢水凈化吸附劑。
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