一種高效的除磷吸附劑及製備方法
2023-05-30 00:14:26
一種高效的除磷吸附劑及製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種高效的除磷吸附劑及製備方法，其步驟為：1）將鑭系稀土礦渣烘乾並去除雜質；2）然後將其置於馬弗爐中，在550-750℃之間煅燒，煅燒升溫速率10-20℃/分鐘，馬弗爐輸出功率百分比為80%，達到最高溫度後保持1-3小時，煅燒結束後自然冷卻，過篩使其粒徑在0.1-0.25mm之間；3）將煅燒後的稀土礦渣按照一定比例與含磷廢水混合，150-250rpm條件下震蕩5-10分鐘，即可達到吸附平衡，並且對高濃度的含磷溶液起到較好的吸附淨化效果，據等溫吸附模型計算得到的最大吸附量為152mg/g，顯著高於商品化活性炭材料以及報導的其他礦質吸附材料對磷的吸附性能，可獲得對高濃度含磷廢水較好的吸附淨化效果，同時也實現了針對稀土礦渣的資源化利用。
【專利說明】一種高效的除磷吸附劑及製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及礦渣廢棄物的綜合利用方法，具體而言，是使用鑭系稀土礦渣經過處理後吸附水體中的磷，同時實現礦渣廢棄物的資源化利用和含磷廢水(特別是高濃度含磷廢水)的高效淨化的一種高效的除磷吸附劑及製備方法。
【背景技術】
[0002]據報導，全國每年產生的固體廢棄物有85%來自礦山，累計有130多萬公頃的森林和草地因採礦受到破壞。礦渣的大量堆積，不僅侵佔了大量耕地，存在著嚴重的安全隱患，而且其中所含的有害物質以及礦渣堆放庫所產生的砂塵對礦山周邊地區的生態環境和水資源均會造成汙染。因此，如何合理處置礦渣，如何將其綜合回收利用，得到了相關企業和政府機構的關注。
[0003]由於礦渣中含有豐富的活性物質，以及本身良好的孔隙分布、較大的比表面積，將其作為吸附劑，應用於廢水處理，即「以廢制廢」，符合可持續發展的理念，應得到更多的關注和研究。需要指出的是，我國作為世界上最大的稀土礦物生產國，在稀土的生產過程中也產生了巨量的礦渣廢棄物，如何合理處置這些錯置的資源，需要相關科研人員進行深入和系統的探究。
[0004]另一方面，由於氮磷等營養元素大量進入自然水體，造成了富營養化，對人們的生產生活以及生態安全造成了嚴重影響。據統計，我國主要湖泊中，因氮磷汙染而導致富營養化的佔統計湖泊的56%之多。富營養化引起水生生態系統結構和功能的變化，表現為水質惡化、景觀破壞、水體透明度下降、生物多樣性下降等。關於水體富營養化的研究表明，雖然氮和磷都是生物必須的重要營養物，但在很多情況下藻類等水生生物對磷更敏感。著名的湖泊學家Vollenweider認為，水中總磷濃度超過0.02mg/L即為富營養化。美國環保局(USEPA)對美國境內812個湖泊和水庫進行調研後提出，水體富營養化的總磷濃度標準為高於0.02-0.25mg/L。我國學者的研究指出，總磷濃度超過0.02mg/L時，水體開始富營養化進程；當水中磷濃度達到0.5mg/L時,藍藻開始大量生長。
[0005]水體中磷的去除方法有多種，包括化學沉澱法、生物除磷技術、吸附技術等。其中吸附法除磷是磷在吸附劑表面的附著吸附、離子交換或表面沉澱等過程，將水體中均相的磷轉移到吸附介質上，實現磷從汙水中分離的技術。
[0006]因此，可以發現，將礦渣製作成高效的除磷吸附劑，降低廢水中磷的含量，從而減輕廢水可能造成的水體富營養化風險，實現以廢治廢，具有良好的應用前景和現實意義。
【發明內容】
[0007]面對一方面是含磷廢水大量進入環境，造成水體富營養化；另一方面是礦渣的大量堆積造成土地資源的浪費和環境的汙染這一現狀，本發明提供一種高效的除磷吸附劑及製備方法，製備以稀土礦渣廢棄物為前驅物質的高效的除磷吸附劑，將經過一定處理後的礦渣運用於含磷廢水的吸附淨化，在資源化利用礦渣廢棄物的同時，達到降低廢水磷含量的目的。
[0008]一種高效的除磷吸附劑及製備方法作為兩項發明創造，由於具備相同的特定技術特徵:均採用鑭系稀土礦渣經預處理和煅燒處理獲得對汙水中的磷(尤其是高濃度含磷廢水)具強吸附能力的煅燒鑭系稀土礦渣，屬於一個總的發明構思，可以作為一件申請提出。
[0009]為了實現上述目的，本發明的技術方案為:一種高效的除磷吸附劑的製備方法，其特徵在於，包括如下步驟:
[0010](I)將鑭系稀土礦渣烘乾並去除雜質；
[0011](2)將經步驟(I)處理的鑭系稀土礦渣置於馬弗爐中，在550-750°C下煅燒1_3小時，煅燒結束後自然冷卻，過篩使其粒徑在0.1-0.25mm之間；
[0012](3)將煅燒的鑭系稀土礦渣按照0.5-8.0g/L添加劑量置於含磷廢水，調節pH在3-10之間，震蕩吸附4-6分鐘，使磷吸附於煅燒鑭系稀土礦渣。
[0013]進一步地，步驟(I)具體過程如下，將取自贛南的鑭系稀土礦渣在電爐中於80-100度烘乾6-12小時，並去除雜質。
[0014]進一步地，在步驟(2)中，煅燒採用逐步升溫方式，煅燒升溫速率設定為10_20°C /分鐘，馬弗爐輸出功率百分比為80%，達到預設的最高溫度後保持1-3小時。
[0015]在步驟(3)中，震蕩速率100-250rpm，吸附反應溫度為5_40°C。
[0016]進一步地，步驟(3)中，將煅燒的鑭系稀土礦渣按照0.5-8.0g/L添加劑量置於磷酸根濃度為100-200mg/L的含磷廢水中進行充分混合。
[0017]優選的，在步驟(3)中，調節PH在3.7到6.2之間。
[0018]其中，步驟(I)為稀土礦渣的收集和預處理步驟。本發明採用鑭系稀土礦渣製作除磷吸附劑，主要是由於鑭系稀土元素氧化物對磷可能有較好的吸附性能，相關的實驗以及文獻報導皆證明了這一點。而鑭系稀土在選礦後，仍然可能存在一定含量的未提取完全的稀土氧化物，同時往往伴生有多種其他金屬元素和類金屬元素，這為下一步製作高效的除磷吸附劑提供了基礎。此外，本步驟對礦渣進行了烘乾，其目的主要是去除礦渣含有的水分，防止煅燒時較高含量的水分可能對馬弗爐造成的損害。同時，礦渣中可能存在的石子等雜物也在此予以剔除，避免對後續的實驗和測試產生明顯的幹擾。
[0019]步驟(2)為礦渣的煅燒階段。高溫煅燒的主要目的是去除礦質表面的結合水，以及其他易揮發雜質，減少水膜對吸附質(磷)的吸附阻力，同時提高礦渣的孔隙率和比表面積，進而提高吸附能力。煅燒溫度在550-750°C，是因為較低的溫度條件下有些揮發性物質不易脫除，影響比表面積和孔隙率的提高；根據熱重曲線也可以發現在400度以下稀土礦渣失重較快，說明較低的煅燒溫度可能無法較充分的脫除稀土礦渣表面的易揮發物質和其他雜質。另一方面，較高的溫度導致礦質材料產生結晶，甚至出現玻璃體，使大量的微孔被燒失，在影響吸附性能提升的同時，卻顯著增加了能耗。而溫度控制在550-750°C時，不會出現這兩種極端的情況，達到較好的吸附除磷效果。同時，控制升溫速率在10-20°C，並在預設的最高溫度(即升溫到一定程度保持恆溫煅燒的溫度，在550-750°C間取值)條件下保持1-3小時，可以使相關反應充分進行，以得到較好的孔隙結構。煅燒結束並冷卻後，將煅燒後的稀土礦渣過篩，使其粒徑介於0.1-0.25mm之間，一方面較小的粒徑對應較高的比表面積和較高的吸附能力，且利於在含磷溶液中充分浸潤，與磷酸根充分接觸並發生吸附作用；但是另一方面，相關試驗證明，粒徑達到一定程度後，繼續降低粒徑不會不會明顯增加材料的吸附性能，但是為了維持過小的材料粒徑，會顯著增加能耗；同時也會對工程應用有不利影響，如過小的粒徑導致作為填充材料時的透水性較差，容易導致堵塞。因此，保持合理的粒徑範圍是將吸附材料實際運用時需要考慮的一個重要因素。而本發明公開的該粒徑範圍能較好的兼顧上述兩個方面。
[0020]步驟(3)為煅燒鑭系稀土礦渣的應用條件，按照一定比例將煅燒稀土礦渣加入到含磷廢水中，調節PH在3-10之間，吸附反應溫度在5-40°C之間；為了更快達到吸附平衡，建議對吸附體系進行震蕩，在150-250rpm的震蕩速率下，僅僅需要4_6分鐘即可達到吸附平衡。此外，對於給定的溶液磷濃度，煅燒稀土礦渣吸附劑的添加量越高，對磷的去除率也越聞。
[0021]本發明採用的另一個技術方案為:一種高效的除磷吸附劑，其特徵在於:所述的除磷吸附劑以鑭系稀土礦渣為前驅物質，經烘乾、去除雜質，並在550-750°C下煅燒1-3小時，再過篩選取粒徑在0.1-0.25mm之間的煅燒鑭系稀土礦渣而得到。
[0022]前述的一種高效的除磷吸附劑，根據等溫吸附模型，除磷吸附劑對磷的最大吸附量為 152mg/g (以 PO/—計)。
[0023]前述的一種高效的除磷吸附劑，所述的煅燒鑭系稀土礦渣包括鑭系稀土元素氧化物及其它元素氧化物；其它元素包括Ba、V、S1、Y、Ca、Fe，其中Ba比重最大。
[0024]前述的一種高效的除磷吸附劑，其特徵在於:所述的煅燒鑭系稀土礦渣的BET比表面積為12.13m2/g，孔容為0.062mL/g，孔徑為12.15nm。
[0025]本發明製備的煅燒鑭系稀土礦渣除磷吸附劑的原理在於:高溫煅燒增加了礦質材料的比表面積和孔隙度；鑭系稀土礦渣可能由於選礦不徹底以及伴生礦的出現，會含有一定量的鑭系稀土元素氧化物及其他金屬氧化物，而鑭系稀土氧化物表面帶一定的電荷，對磷酸根具有靜電吸附作用；同時礦渣還含有其他元素的氧化物，如Ba、V、S1、Ca、Fe等元素的氧化物，對磷酸根也具有一定的吸附性能。
[0026]本發明的有益效果
[0027]本發明公開了一種高效的除磷吸附劑及製備方法，據此，鑭系稀土礦渣經過簡單預處理後，在550-750°C條件下煅燒1-3小時，即可製成對磷酸根具有優異吸附性能的除磷吸附劑，其對磷酸根的最大吸附性能近152mg/g (即理論上每Ig煅燒鑭系稀土礦渣最多能吸附152mg磷酸根)，明顯高於文獻報導的活性炭和其他礦質材料對磷的吸附性能；同時吸附達到平衡的時間快，僅需4-6分鐘即可達到吸附平衡，這表明該材料在吸附磷的過程中非常高效和快速，為將來運用於實際廢水的脫磷過程中奠定了基礎。此外，實驗表明本發明涉及的煅燒稀土礦渣吸附劑在較寬泛的PH範圍內皆有優異的表現，受pH的影響較小，從而應用範圍較廣。本發明還探討了吸附劑投加量、接觸反應時間、初始磷酸根濃度等條件對吸附過程的影響。通過一系列的實驗研究，本發明公開的煅燒鑭系稀土礦渣解決了以下兩個問題:一是為鑭系稀土礦渣提供了資源化利用的方式，二是為脫除高濃度含磷廢水中的磷提供了有效的手段，真正實現了變廢為寶，循環利用，符合可持續發展的理念。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1為煅燒鑭系稀土礦渣對含磷溶液的等溫吸附回歸曲線；
[0029]圖2圖示了不同磷酸根初始濃度條件下添加2g/L煅燒鑭系稀土礦渣的磷去除率；
[0030]圖3為煅燒鑭系稀土礦渣對含磷溶液的吸附動力學曲線；
[0031]圖4圖示了溶液初始pH對煅燒鑭系稀土礦渣吸附能力的影響；
[0032]圖5圖示了吸附有負載磷酸根的吸附劑在不同溶液中的解吸附實驗結果；
[0033]圖6為不同添加劑量的煅燒鑭系稀土礦渣對化糞池汙水中磷的脫除效果示意圖；
[0034]圖7為煅燒鑭系稀土礦渣的掃描電鏡觀察圖譜；
[0035]圖8為煅燒鑭系稀土礦渣的紅外光譜(FTIR)掃描圖譜；
[0036]圖9為煅燒鑭系稀土礦渣的X射線螢光分析圖譜；
[0037]圖10為鑭系稀土礦渣的熱重分析圖譜。
【具體實施方式】
[0038]下面結合圖1-圖10詳述本發明的技術方案。
[0039]一種高效的除磷吸附劑的製備方法，其步驟包括:
[0040]I)將取自贛南的鑭系稀土礦渣在電爐中於80-100度烘乾6-12小時，並去除雜質；
[0041]2)然後將其置於馬弗爐中，在550-750 °C之間煅燒，煅燒升溫速率設定為10-200C /分鐘，馬弗爐輸出功率百分比為80%，達到最高溫度(峰值)後保持1-3小時，煅燒結束後自然冷卻，過篩使其粒徑在0.1-0.25mm之間；
[0042]3)將煅燒後的稀土礦渣按照一定比例與含磷廢水混合，調節pH在3-10之間，150-250rpm條件下震蕩4_6分鐘，即可達到吸附平衡，並且對高濃度的含磷溶液起到較好的吸附淨化效果，據等溫吸附模型計算得到的最大吸附量約152mg/g。2g/L吸附劑添加量對應的含200mg/L磷酸根廢水的磷去除率高於60%，且隨著添加劑量的提高，磷酸根的吸附去除率增加。
[0043]本方法所使用的原始材料(前驅物質)為鑭系稀土礦開採選礦後的最終廢棄產物，即鑭系稀土礦渣。
[0044]優選的，將煅燒的鑭系稀土礦渣按照0.5-8.0g/L添加劑量置於高濃度含磷廢水(磷酸根濃度高於100-200mg/L)中進行充分混合。
[0045]優選的，在pH3-10，吸附反應溫度5_40°C，混合反應時間高於5分鐘，震蕩速率100-250rpm條件下,對含磷溶液進行吸附。
[0046]實施例一
[0047]為了獲取本發明製備的除磷吸附材料的吸附性能，特別是吸附能力的參數，本實施例進行了等溫吸附試驗研究。
[0048]高溫煅燒鑭系稀土礦渣的製備方法如下:
[0049]I)將取自贛南的鑭系稀土礦渣在電爐中於80度烘乾12小時，並去除雜質；
[0050]2)然後將其置於馬弗爐中，在550°C條件下進行煅燒，煅燒升溫速率設定為15°C /分鐘，馬弗爐輸出功率百分比為80%，達到最高溫度(峰值)後保持I小時，煅燒結束後自然冷卻，過篩使其粒徑在0.1-0.25mm之間；裝瓶備用。
[0051]用磷酸二氫鉀溶液配置成含不同濃度磷酸根的模擬廢水(介於30 - 180mg/L)，然後在25°C條件下與煅燒鑭系稀土礦渣吸附劑混合，保持吸附劑的劑量為2g/L，在250rpm條件下震蕩過夜，達到吸附平衡之後測試上清液中磷酸根含量，測試方法為鑰藍比色法。通過上清液平衡磷酸根濃度(Ce)以及單位質量吸附劑負載的磷酸根的量(?)，通過線性回歸，得到Langmuir模型參數(圖1)，並且圖2圖示了不同磷酸根初始濃度條件下添加2g/L煅燒鑭系稀土礦渣的磷去除率，隨著磷酸根初始濃度明顯的增加，磷去除率略有下降，但去除率基本保持在60%。進而通過Langmuir模型計算得到本發明的煅燒鑭系稀土礦渣吸附劑對磷酸根的最大吸附量為152mg/g。該值明顯高於文獻報導的活性炭和其他礦質材料對磷酸根的吸附能力，表明本發明公開的煅燒鑭系稀土礦渣對含磷溶液具有優異的吸附淨化能力。
[0052]實施例二
[0053]為了考察混合反應時間以及初始磷酸根濃度對煅燒鑭系稀土礦渣吸附磷酸根的影響，本實施例在2種不同初始磷酸根濃度下進行了反應動力學實驗。
[0054]高溫煅燒鑭系稀土礦渣的製備方法同實施例一。
[0055]吸附動力學試驗過程如下:將2g/L煅燒鑭系稀土礦渣置於含不同濃度磷酸根模擬廢水的燒杯中，在200rpm條件下震蕩並開始計時，初始階段2_3分鐘採集水樣(約2mL)—次，後期適當延長採集時間，共採集20次，稀釋並測定磷酸根濃度。初始磷酸根濃度設置為50mg/L與150mg/L。使用軟體繪製單位質量吸附劑負載磷酸根的量(qt)與混合時間t之間的關係圖(圖3)。可以發現，在本實驗條件下，吸附反應僅僅需要4-6分鐘即可達到吸附平衡狀態，說明吸附過程進行的非常快速，從而對將來的實際應用(如用於填充吸附柱)提供了便利。通過模型擬合發現，該反應過程符合準二級動力學吸附模型。同時可以發現，較高的初始濃度達到平衡的時間略長，這可能由於較高初始濃度條件下，有更多比例的磷酸根離子通過粒子內的傳質過程達到顆粒內部，而這個過程是反應的限速步驟，因此需要消耗更多的時間達到吸附 平衡。總體看，由於該吸附過程本身進行非常迅速，初始磷酸根濃度對吸附平衡所需時間的影響並不十分明顯。
[0056]此外，通過震蕩可以加快吸附進行的速率，在一定範圍內，震蕩速率越高，達到吸附平衡的時間越短。實驗表明，在150-250rpm範圍內，可以使吸附體系同時兼顧吸附的快速進行和吸附體系的穩定，為未來的實際運用初步提供了操作參數。
[0057]實施例三
[0058]為了考察一些關鍵環境條件和操作參數的影響，本實施例考察了溶液pH和吸附劑投加量對吸附過程的影響(圖4)。
[0059]高溫煅燒鑭系稀土礦渣的製備方法同實施例一。
[0060]pH影響吸附試驗如下:配置200mg/L的磷酸根溶液，使用鹽酸和氫氧化鈉溶液調整pH在2-10之間，然後在25°C條件下與煅燒鑭系稀土礦渣吸附劑混合，保持吸附劑的劑量為2g/L，在250rpm條件下震蕩過夜，達到吸附平衡之後測試上清液中磷酸根含量。可以發現，在弱酸性條件下(pH在3.7到6.2之間)對含磷溶液的吸附去除率最高，而在較強酸性和鹼性條件下去除率稍低。雖然PH對煅燒鑭系稀土礦渣對磷的吸附性能有一定的影響，但是總體差異並不大，在該實施例的PH範圍內，對磷酸根的去除率的最高值和最低值僅相差不到4%，這說明本發明的煅燒鑭系稀土礦渣在較廣的pH範圍內都有較好的吸附性能，受pH的影響有限。
[0061]吸附劑添加量對吸附的影響試驗過程如下:配置200mg/L的磷酸根溶液，在25°C條件下與煅燒鑭系稀土礦渣吸附劑混合，調整吸附劑的劑量介於0.5-8.0g/L，在250rpm條件下震蕩過夜，達到吸附平衡之後測試上清液中磷酸根含量。可以發現，隨著吸附劑劑量的提高，去除率由45.7% (對應於吸附劑劑量0.5g/L)提高到了 57.5% (對應於吸附劑劑量8.0g/L)。
[0062]實施例四
[0063]為了考察負載了磷的煅燒鑭系稀土礦渣在一定條件下對磷的釋放能力，本實施例擬在不同溶液和不同濃度條件下進行解吸附實驗(圖5)。
[0064]高溫煅燒鑭系稀土礦渣的製備方法同實施例一。
[0065]負載了磷的吸附劑的製備:初始磷酸根濃度為200mg/L，加入的吸附劑劑量為2g/L，體積為0.5L，攪拌30min後離心去除上清液，將固體物質過濾烘乾，就得到了負載磷的吸附材料。
[0066]解吸附實驗的實施:使用四種溶液，即鹽酸溶液、氯化鈉溶液、氫氧化鈉溶液和去離子水溶液，分別在0.0lM和0.05M (去離子水除外)濃度條件下加入上述獲取的負載磷的吸附材料，控制劑量為2g/L，震蕩過夜後測試上清液中磷酸根的含量。解吸附的計算方法如下:
[0067]R (%) = (Ce-C0) /C0
[0068]其中，Ctl為製備負載磷的吸附材料時吸附體系初始的磷酸根濃度;Ce為解吸附實驗結束時測得的上清液磷酸根濃度，R為解吸附率。
[0069]可以發現，使用鹽酸溶液處理含磷吸附劑得到的解吸附率最高，使用其他三種溶液獲得的解吸附率較低(1.9%上下)。同時，解吸附率與溶液濃度有關，以鹽酸溶液為例，
0.0lM鹽酸溶液得到的解吸附率為5.0%，而0.05M鹽酸溶液得到的解吸附率為7.9%。總體來看，本發明使用的煅燒鑭系稀土礦渣對磷酸根的吸附負載能力較強，不易發生解吸附。這在將其運用於極端條件下淨化處理高濃度含磷廢水時具有一定的優勢，不易在較強酸鹼條件下發生劇烈的解吸附而無法實現磷的脫除。
[0070]實施例五
[0071]為考察本發明的煅燒鑭系稀土礦渣對實際含磷汙水的淨化能力，本實施例對採集自化糞池的汙水進行了吸附試驗(圖6)。
[0072]其中，高溫煅燒鑭系稀土礦渣的製備方法同實施例一。
[0073]實際含磷汙水採集自江蘇省農科院家屬區化糞池，使用濾紙對汙水進行抽濾後進行吸附試驗。試驗條件為25攝氏度250rpm震蕩過夜，吸附劑添加劑量為l、2、4g/L，採集水樣稀釋後測試磷濃度(以磷酸根計)。經測試，該化糞池廢水中磷含量為3.52mg/L。
[0074]可以發現，隨著添加劑量的提高，本發明的煅燒鑭系稀土礦渣對實際廢水的磷去除率隨之升高，在添加劑量為4g/L時，廢水中的磷已經無法檢測出。雖然化糞池中成分複雜，含有大量的有機質和無機鹽，COD較高，由此導致的競爭吸附等作用一般會對吸附劑的吸附效果產生影響；但是本發明的煅燒鑭系稀土礦渣對中低濃度的含磷廢水(如此處的化糞池汙水)仍然具有較好的脫磷效果，展示了較好的應用前景。
[0075]實施例六
[0076]為了比較本發明公開的煅燒鑭系稀土礦渣與使用最為廣泛的活性炭對磷的吸附能力，本實施例在同樣條件下測試了商品活性炭和煅燒鑭系稀土礦渣對磷酸根濃度為200mg/L溶液的去除率。其中，煅燒鑭系稀土礦渣的製備方法同實施例一。主要實驗條件為:劑量2g/L，250rpm條件下震蕩過夜，所使用的活性炭為商品淨水活性炭(上海實意化學試劑公司，分析純)。數據表明，活性炭對磷酸根的去除率為53.76% ;而本發明的煅燒稀土礦渣在同樣條件下的去除率為55.53%，略高於商品活性炭。
[0077]此外，根據文獻報導的吸附材料對磷的吸附能力，針鐵礦對磷的吸附能力為
0.3mg/g (Water Research, 2006);改性生物炭對磷的吸附能力為 15.3mg/g (ChemicalEngineering Journal, 2013);活性氧化招對磷的吸附能力為10mg/g (有色金屬，2002);活性炭對磷酸根的吸附能力為78.9mg/g(新型炭材料，2011)，等。上述報導的除磷吸附劑對磷的吸附能力均明顯低於本發明公開的煅燒鑭系稀土礦渣對磷酸根的吸附能力(152mg/g)。本實施例的實驗數據和文獻報導的數據表明，本發明公開的煅燒鑭系稀土礦渣對磷酸根的吸附能力具有很強的競爭優勢，加之材料源自礦渣，成本較低，製備方法簡單，在未來具有廣闊的應用前景。
[0078]實施例七 [0079]為了考察煅燒溫度對稀土礦渣吸附磷能力的影響，本實施例在不同溫度條件下對礦渣進行了煅燒，並將其運用於含磷廢水的吸附試驗中。
[0080]煅燒稀土礦渣的製備除了煅燒溫度外均與實施例一保持一致。
[0081]煅燒溫度設定為550°C、750°C、950°C和對照(無煅燒)。吸附試驗主要條件為:劑量2g/L，初始磷酸根濃度為200mg/L，震蕩速率為250rpm。可以發現，無煅燒、550°C、750°C和950°C煅燒的稀土礦渣對磷酸根的吸附去除率分別為:46.30%,54.21%,52.84%和50.29%。經過煅燒的稀土礦渣對磷酸根的吸附能力高於未經煅燒的稀土礦渣，但是溫度過高時不利於本發明材料吸附能力的提高，這可能與高溫導致表面部分成分熔融或分解，減少了有效吸附位點有關。保持溫度在550-750°C範圍內可以得到較好的吸附效果。
[0082]實施例八
[0083]為了更深入了解煅燒鑭系稀土礦渣吸附劑的性能特點，本實施例以實施例一製備的煅燒鑭系稀土礦渣為分析對象，進行了材料的表徵分析。主要包括掃描電鏡觀察、紅外光譜掃描、X射線螢光分析、熱重分析、BET比表面積分析等。
[0084]高溫煅燒鑭系稀土礦渣的製備方法同實施例一。
[0085]掃描電鏡(SEM)分析:本實施例對高溫煅燒鑭系稀土礦渣在放大2500和25000條件下進行了 SEM觀察。可以發現，材料呈現出粗糙的表面，鬆散的結構，出現顆粒狀形態，發育有較多的孔隙；這為吸附磷酸根提供了較多的吸附位點。通過進一步放大(25000倍)可以發現，表面有類似結晶的形態(圖7)。
[0086]紅外光譜分析:可以發現高溫煅燒鑭系稀土礦渣表面含有硫酸鋇的特徵峰(1236(31^1)，表明硫酸鋇在該鑭系稀土礦渣表面大量存在(圖8)。
[0087]X射線螢光分析:可以發現高溫煅燒鑭系稀土礦渣表面含有諸多金屬元素和類金屬元素，主要由 Ba (87.05%),S (8.73%),V (2.10%),Si (1.04%),Y (0.51%),Ca (0.42%),Fe (0.25%)、Yb (0.23%)等元素組成。其中材料表面Ba元素比重較大，即含量最高，與紅外光譜的數據吻合，這可能與礦渣產生的工藝以及礦物本身性質有關。包括硫酸鋇在內的多種金屬元素化合物的存在可能是本發明的煅燒稀土礦渣對磷酸根具有較好吸附性能的重要原因(圖9)。
[0088]熱重分析:通過對原始礦渣的熱重分析可以發現，在400°C之前材料快速失重，可能與礦渣表面含有的易揮發性物質(包括水分)的損失有關；400-900°C之間失重較慢，說明易揮發物質已經損失殆盡；900-1230°C之間失重又加快，可能與礦質材料本身一些礦物發生分解、熔融等反應有關(圖10)。
[0089]BET比表面積分析:表1顯示了煅燒鑭系稀土礦渣的比表面積分析結果，可以發現，本實施例製作的煅燒鑭系稀土礦渣發育有較好的孔隙結構，比表面積較高(12.13m2/g)，孔容為0.062mL/g，且孔徑為12.15nm，利於本材料對磷酸根這種小分子物質進行富集。
[0090]表1煅燒鑭系稀土礦渣的比表面積分析
【權利要求】
1.一種高效的除磷吸附劑的製備方法，其特徵在於，包括如下步驟: (1)將鑭系稀土礦渣烘乾並去除雜質； (2)將經步驟(I)處理的鑭系稀土礦渣置於馬弗爐中，在550-750°C下煅燒1_3小時，煅燒結束後自然冷卻，過篩使其粒徑在0.1-0.25mm之間； (3)將煅燒的鑭系稀土礦渣按照0.5 - 8.0 g/L添加劑量置於含磷廢水，調節pH在3-10之間，震蕩吸附4-6分鐘，使磷吸附於煅燒鑭系稀土礦渣。
2.根據權利要求1所述的一種高效的除磷吸附劑的製備方法，其特徵在於:步驟(I)具體過程如下，將取自贛南的鑭系稀土礦渣在電爐中於80-100度烘乾6-12小時，並去除雜質。
3.根據權利要求2所述的一種高效的除磷吸附劑的製備方法，其特徵在於，在步驟(2)中，煅燒採用逐步升溫方式，煅燒升溫速率設定為10-20°C /分鐘，馬弗爐輸出功率百分比為80%，達到預設的最高溫度後保持1-3小時。
4.根據權利要求1或2或3所述的一種高效的除磷吸附劑的製備方法，其特徵在於，在步驟(3)中，震蕩速率100-250 rpm，吸附反應溫度為5_40°C。
5.根據權利要求1所述的一種高效的除磷吸附劑的製備方法，其特徵在於，步驟(3)中，將煅燒的鑭系稀土礦渣按照0.5 -8.0 g/L添加劑量置於磷酸根濃度為100-200mg/L的含磷廢水中進行充分混合。
6.根據權利要求1所述的一種高效的除磷吸附劑的製備方法，其特徵在於，在步驟(3)中，調節PH在3.7到6.2之間。
7.一種高效的除磷吸附劑，其特徵在於:所述的除磷吸附劑以鑭系稀土礦渣為前驅物質，經烘乾、去除雜質，並在550-750°C下煅燒1-3小時，再過篩選取粒徑在0.1-0.25mm之間的煅燒鑭系稀土礦渣而得到。
8.根據權利要求7所述的一種高效的除磷吸附劑，其特徵在於:根據等溫吸附模型，除磷吸附劑對磷酸根的最大吸附量為152 mg/g。
9.根據權利要求7所述的一種高效的除磷吸附劑，其特徵在於:所述的煅燒鑭系稀土礦渣包括鑭系稀土元素氧化物及其它金屬和類金屬元素氧化物；其它金屬和類金屬元素包括Ba、V、S1、Y、Ca、Fe，其中Ba比重最大。
10.根據權利要求6所述的一種高效的除磷吸附劑，其特徵在於:所述的煅燒鑭系稀土礦渣的BET比表面積為12.13 m2/g，孔容為0.062 mL/g，孔徑為12.15 nm。
【文檔編號】B01J20/30GK103721667SQ201310694560
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月17日 優先權日:2013年12月17日
【發明者】馮彥房, 楊林章, 薛利紅, 戴敏, 段婧婧, 何世穎 申請人:江蘇省農業科學院