東北地理所在高效除磷的納米材料研制方面取得進(jìn)展
水體富營(yíng)養(yǎng)化將導(dǎo)致水生態(tài)功能下降、水質(zhì)惡化，甚至危害人類健康。磷是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要限制性因子之一，水體中磷來源廣泛，實(shí)現(xiàn)工業(yè)污水中磷的減排是控制水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要措施。常用的工業(yè)污水除磷法包括沉淀法、吸附法、結(jié)晶法、電解法和生物法。吸附法具有可控制、適應(yīng)強(qiáng)和易操作等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。但是，現(xiàn)有的吸附劑存在價(jià)格貴、效率低和制作難等問題，亟需研發(fā)低成本、高效率和易生產(chǎn)的穩(wěn)定材料。
根據(jù)水滑石的層狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和層間離子可交換屬性，東北地理所水環(huán)境污染防治團(tuán)隊(duì)通過控制金屬陽離子的比例、pH和溫度等反應(yīng)條件，采用共沉淀法成功合成了純凈的鐵基層狀雙氫氧化物（FeCa-LDH、FeMg-LDH）（圖1），其通式為[M1-x2+Mx3+ (OH)2]x+ (An-)x/n·mH2O，M2+和M3+是二價(jià)和三價(jià)金屬陽離子，其與OH-共同構(gòu)成了陽性主體層；A是層間陰離子，常見的有Cl-、SO42-、CO32-、HCO3-和NO3-。FeCa-LDH和FeMg-LDH呈六邊形、八面體結(jié)構(gòu)（圖2），孔徑介于6~18 nm之間，純度達(dá)99%以上。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，污水中磷濃度為10 mg/L，LDH添加量為2.5 g/L條件下，相比生物炭、微生物和植物的對(duì)照處理，F(xiàn)eCa-LDH和FeMg-LDH對(duì)污水中磷的去除率提高了525% - 661%，處理時(shí)間縮短至1 min - 1 h （圖3）。主要去除機(jī)制為靜電吸附、配位反應(yīng)和插層交換（圖 4）。研究還發(fā)現(xiàn)，堿性條件下FeCa-LDH的除磷率可提高50%左右，但共存陰離子碳酸氫根對(duì)磷的去除率有輕微的抑制作用。FeCa-LDH材料的重復(fù)利用性良好，循環(huán)使用第5次時(shí)的磷去除率仍可達(dá)85%。該材料也具有良好的濃度波動(dòng)抗沖擊性能，污水中磷濃度為600 mg/L時(shí)，磷的去除率為62%，可應(yīng)用于突發(fā)污染事故的應(yīng)急處理中。
相關(guān)成果申請(qǐng)了發(fā)明專利3項(xiàng)，并發(fā)表在環(huán)境領(lǐng)域國際權(quán)威期刊《Science of the Total Environment》上，由碩士研究生馮偉東（第一作者）、崔虎特別研究助理（通訊作者）和祝惠研究員（通訊作者）共同完成。該研究得到中科院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、“一帶一路”國際濕地研究聯(lián)盟項(xiàng)目和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目的資助。
論文信息及鏈接如下：Feng, W.D., Cui, H., Zhu, H., Shutes, B., Yan, B.X., Hou, S.N. 2023. Layered double hydroxides, an effective nanomaterial to remove phosphorus from wastewater: Performance, mechanism, factors and reusability. Science of the Total Environment, 884, 163757. http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.163757
崔虎, 祝惠, 馮偉東, 閻百興. 一種鐵鎂層狀雙金屬氫氧化物除磷劑的制備方法。受理號(hào)：202211521446.X
祝惠, 崔虎, 馮偉東, 閻百興. 一種鐵鈣層狀雙金屬氫氧化物除磷劑的制備方法。受理號(hào)：202211521220.X
崔虎, 祝惠, 馮偉東, 閻百興. 一種鐵鈣層狀雙金屬氫氧化物型人工濕地的構(gòu)建方法。受理號(hào)：202310037268.1
圖 1 鐵基層狀雙氫氧化物的合成步驟
圖 2 鐵基層狀雙氫氧化物的結(jié)構(gòu)（A-H：SEM；I-P：EDS；S：XRD）
圖 3 鐵基層狀雙氫氧化物的除磷效果
圖 4 鐵基層狀雙氫氧化物的除磷機(jī)制
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