[发明专利]一种高效钝化沉积物磷的复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于水体沉积物修复技术领域，具体涉及一种高效钝化沉积物磷的复合材料及其制备方法。本发明复合材料的制备方法为：将LaCl₃·7H₂O、CaCl₂和AlCl₃·6H₂O混合后加入水中，在碱性条件下水浴加热共沉淀和结晶，收集沉淀物经干燥得到沉积物磷钝化材料Ca/Al或La/Ca/Al复合材料。本方法所制备的Ca/Al和La/Ca/Al复合材料可以适应富营养化湖泊中更大的pH值范围，在酸性、中性和碱性湖水中保持高的沉积物磷钝化作用。此外，Ca/Al和La/Ca/Al的磷钝化作用在厌氧和好氧环境中都很有效，可以应对湖泊中频繁变化的各种氧化还原环境。

技术领域

本发明属于水体沉积物修复技术领域，具体涉及一种高效钝化沉积物磷的复合材料及其制备方法。

背景技术

磷(P)已被证明是大多数湖泊和河流的主要限制因素，其过度输入很可能会导致水体富营养化。内源性负荷较重的湖泊中，即使完全切断外源性磷输入，沉积物释放的磷也足以维持有害藻类水华的持续爆发。因此，抑制沉积物中磷的释放是持续减少外源磷负荷后长期控制湖泊富营养化的关键之一。

金属盐和金属基固相产品的磷吸附剂被认为是一种有效的沉积物修复方法。到目前为止，基于铁基、钙基、铝基和镧基的很多材料已被广泛用于湖泊恢复。由于在缺氧条件下，铁磷复合物的还原将导致沉积物中磷酸盐向上覆水的大量释放，因此铁基磷吸附剂在有氧条件下应用更有利。硫酸铝和聚合氯化铝等铝基磷灭活剂的性能不受氧化还原条件的影响。然而，在碱性条件下，由于氢氧根和磷酸根之间的竞争，磷酸根从铝-磷化合物中解吸，因此上覆水的pH值增加将导致其对铝基材料在沉积物中灭活磷的效率下降。当上覆水pH值大于8时，铝基材料的磷灭活剂的性能就可能会显著下降。尽管镧对磷酸盐具有高度的反应性和选择性，然而其稳定性也如铝基材料一样会受到pH值的影响，如已商品化的沉积物磷钝化剂镧改性膨润土，在碱性条件下其吸附量也显著降低。钙盐、钙改性生物炭等钙基材料在高pH值条件下对沉积物中的磷有较高的灭活性能，但往往会导致上覆水的pH值进一步上升。据报道，添加5％和20％的硅酸钙材料至沉积物后，上覆水的pH值分别从8.56增加到11.79和12.68。用Ca(OH)₂改性生物炭除磷过程将导致水的pH值提高到11-12。CaO₂对沉积物进行修正后，上覆水的pH值从7.1增加到11.38。一些天然矿物材料因为富含钙、镁等元素从而具有磷吸附能力，但吸附量往往较低。采取铝对其改性可以提升吸附量，如铝改性的富钙凹凸棒石、粘土、方解石以及沸石。据报道，铝改性经热处理的多孔富钙凹凸棒石(Al@TCAP)将最大的磷吸附能力提升到8.79mg/g，是未经铝改性的热处理的多孔富钙凹凸棒石(TCAP)的2倍吸附量。然而，改性的天然矿物材料磷吸附能力仍然较低，并且往往需要高热处理或者高酸碱处理，使得材制备成本增加。

磷钝化剂的稳定性和安全性对于富营养化沉积物的修复至关重要。在富营养化的湖泊中，由微生物降解积累的藻类所驱动的沉积物-水界面的厌氧环境和藻类大量繁殖导致的高pH值是很常见的。因此，开发对环境友好、能够应对湖泊中频繁的氧化还原状态转换和广泛的pH值的磷钝化剂，对于富营养化湖泊沉积物的修复非常重要。此外，磷钝化剂应该是廉价的，易于制备和使用。

发明内容

针对上述现有技术沉积物磷钝化剂中的问题，本发明旨在提供一种高效钝化沉积物磷的复合材料及其制备方法。该制备方法成本低，操作简单，采用该方法制得的复合材料具有如下优势：能广泛适应湖泊氧化还原状态和pH值变化而高效控制沉积物磷释放，且不会影响水体pH值并能在酸性和碱性条件下修正pH值。

本发明的构思为：将CaCl₂和AlCl₃·6H₂O混合后或含镧CaCl₂和AlCl₃·6H₂O混合后加入水中，在碱性条件下水浴加热共沉淀和结晶，收集沉淀物经干燥得到沉积物磷钝化材料Ca/Al或La/Ca/Al复合材料。