[发明专利]一种锆系纳米杂化材料及应用方法

说明书

本发明公开了一种新型锆系纳米杂化材料及应用方法，属于污水深度除磷领域，所述材料的制备方法包括以下步骤：(1)将ZrOCl₂·8H₂O溶于含有水、浓盐酸和无水乙醇的溶液中，得到混合溶液；(2)取凝胶型强碱性阴离子交换树脂加入至所述混合溶液，首先进行浸泡同时搅拌；(3)将材料再加热搅拌至未完全干燥，自然风干，得到树脂中间体，将树脂中间体转移至NaOH溶液持续搅拌；(4)取出材料，水洗至中性，自然风干，再转移至氯化钠溶液持续搅拌，完成后滤出材料，水洗至中性后用无水乙醇清洗，烘干得到锆系纳米杂化材料。本发明的材料能够实现高效的多种形态无机磷的去除及回收，尤其针对较难去除的缩合磷酸盐去除效果优异，利于推广。

技术领域

本发明属于污水处理领域，更具体地说，涉及一种新型锆系纳米杂化吸附剂及应用方法

背景技术

磷元素的存在具有其矛盾性。一方面，磷是水体藻类的限制性营养元素，是水体富营养化的直接原因。在合适的温度下，过量的存在会导致蓝藻的爆发，使得水体溶解氧的不足并释放致命的藻毒素，继而杀死鱼类和大量无害的无脊椎动物，破坏生态平衡并影响人类健康。另一方面，磷是一种重要的农业养分，现代社会依靠磷元素来维持全球粮食供应，人口的快速增长和对农业生产力的高需求导致化肥使用量的大幅增加。目前，磷元素主要来自磷酸盐矿石的地下开采，这些矿石资源在地质时间尺度才能被补充，这使得磷元素几乎是不可再生资源。目前常用的污水深度除磷工艺主要是化学沉淀法，然而，在磷浓度较低的水平上，化学沉淀法无论使用何种投加方式都会增加更多的含铁、铝化学污泥，这不仅增加了后续的处理成本，而且对磷的回收利用增加了难度。考虑到磷资源的不可再生性，恰当的回收策略更具长远意义。

吸附法是一种操作简便且成本低廉的除磷工艺。其原理是利用吸附剂巨大的比表面积和表面能，以及某些材料表面特殊的功能基团实现对磷的富集，后通过固液分离的手段将磷从废水中去除。在一定的物理条件下，或使用预先设计配制的试剂，可以将吸附的磷酸根从吸附剂表面脱附下来，产生高浓度的磷溶液，实现磷的回收，这是之前化学除磷工艺难以实现的。因此，考虑到磷的回收，吸附法应是深度处磷工艺的更优选择。

国内外科研人员开发了大量的吸附除磷材料，但研发的去除对象几乎都是正磷酸盐，而对水体中其他形态磷的研究却非常少。在水体中的磷可被分为三类，即正磷酸盐(Ortho-P)、聚磷酸盐(Poly-P)与有机磷酸盐(Organic-P)。正磷酸盐如PO₄^3-又称反应性磷(RP)，指的是在没有预先水解和氧化消解的情况下，直接能响应磷钼蓝比色法的那部分磷。聚磷酸盐又称缩合磷酸盐(如P₂O₇^4-、P₃O₁₀^5-、P₆O₁₈^6-)，指的是在人工生产中，将大量的正磷酸盐经过一定工艺脱水缩合，生产出例如焦磷酸钠、三聚磷酸钠等。聚磷酸盐又在操作上被称作可酸解磷(AHP)，意指在一定的酸处理条件下可被水解为正磷酸盐成为反应性磷。可酸解磷与有机磷又被合称为非反应性磷(NRP)。根据传统的认知，在生物酶的作用下，所有的聚磷酸盐在随着工艺推进的过程中都被转化为正磷酸盐，有机磷也会部分转化为正磷。然而根据April Z.Gu等人在2014 年完成的一项大型调研中，调查了12家污水处理厂评估了20种污水处理工艺，结果表明，正磷酸盐依旧是废水系统中的多数，但聚磷酸盐并未被完全去除且占据相当一部分比例，并随着原水水质及工艺的不同而波动，有机磷组分情况类似。另外，在Packa等人的研究中，证明了湖水中焦磷酸盐与三聚磷酸盐的存在。