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TBX多孔陶粒滤料制备及废水吸附除磷试验研究

刘宝和

1、2

张林生

1、

孟冠华

郑钧

1.东南大学能源与环境学院，南京；2.安徽工业大学环境工程系，马鞍山；

通讯作者，电子邮箱：

摘要 提供微碱性气氛和足够的钙离子浓度是实现高效吸附除磷的重要条件。

以粉煤灰、粘土、氧化钙为主要原料，经水热反应、高温蒸养工艺制备TBX多孔陶粒滤料。

钙离子的浸出率和浸出液pH值变化过程决定了高效吸磷滤料的制备工艺。制备的滤料在处理低浓度含磷废水中的应用

试验结果表明，当投加量为1%，磷酸盐溶液浓度为10mg/L时，液中残磷含量可达

0.2mg/L以下，远低于城镇污水处理厂综合排放的一级A标准。由于其具有高效吸附除磷特性及成本低廉等特点，在城镇污水处理中得到广泛应用。

在除磷及富营养化水体修复领域，TBX多孔膨胀粘土滤料将具有良好的工程应用前景。

关键词 硅酸钙；硬硅钙石；多孔陶粒；吸附除磷

中图分类号P579；X703

1、2

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0.2毫克/-。

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随着水体富营养化程度的不断加重，污水中磷的排放

目前，污水处理系统还没有

可以消除和弥补人类活动在自然过程中对氮、磷等物质的影响

现有的污水处理系统仍然会造成部分氮、磷的污染。

水环境中丢失

[1]

.有效控制水体富营养化，

控制水体磷含量是十分必要的，控制水体磷含量往往比控制水体磷含量更重要。

氮含量更有意义

[2-3]

常用的除磷方法

主要有生物法和化学法，生物除磷工艺运行稳定

效果较差，出水难以达标排放；化学除磷

该方法效果良好，但化学药剂成本较高，且产生的化学品

污泥脱水困难，易产生二次污染。

该方法在一定程度上弥补了上述方法的技术不足。

983

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北京大学学报（自然科学版）第46卷

吸附除磷

吸附剂提供的大比表面积使磷能够粘附在吸附剂表面。

可以通过吸附、离子交换或表面沉淀从废水中去除磷。

分离，再经解吸处理，可回收磷资源。

目前外吸附除磷的研究热点主要集中在吸附剂

吸附剂性能的开发与改进

[4]

。

硅酸钙盐具有缓慢释放钙离子和碱度的能力。

它对水中磷酸盐有良好的吸附效果，且制备简单。

各种形状的多孔材料。

[5]

托布

使用莫来石（）颗粒去除生活污水中的磷，发现

托贝莫来石可以使水中的亚稳态钙

2 +

和磷酸

根部在其表面产生稳定的颗粒状羟基磷酸钙 (HAP)

达到除磷的目的。张贝贝等

[6]

雪硅钙石作为晶种

雪硅钙石具有良好的从废水中收集磷的能力。

碱和溶解的钙

2 +

韩建红等

[7]

硬硅钙石

（）纤维颗粒可以缓慢释放

钙

2 +

最终转化为SiO

凝胶、钙

2 +

颗粒物的释放

种子内部长时间保持弱碱性。日本小野田公司的研究人员

使用硅酸钙滤料对畜牧废水进行净化可持久

去除废水中的磷

[8]

硅酸钙盐作为除磷材料

该材料尚处于实验阶段，其吸附机理、材料性能等尚处于实验阶段。

本研究的目的是去除低浓度水中的磷。

标准，供给碱并溶解各种材料中的钙

2 +

测试与优化

选取材料，通过水热反应、高温蒸养工艺制备

TBX多孔陶粒滤料用于处理低浓度含磷废水。

为了开发新型硅酸钙除磷材料，扩大吸附除磷

该研究为实现排水中磷含量的目标提供了理论依据和实验基础。

富营养化水体的控制与修复。

1 实验材料与方法

1.1 材料的供碱与释钙

1.1.1 试验材料

白色硅酸钙水泥：425号，白度≥84，马鞍山市

由中卫建筑材料厂提供，主要为水硬性胶凝细料，包括

5%碳酸钙。硅酸钙：化学纯，SiO

/CaO含量比为

0.99～1.15，技术条件符合Q/CYDZ 123-2004、国家

中国医药集团化学试剂有限公司提供硬硅钙石纤维：

江苏无锡某耐火材料厂提供。粉煤灰：马鞍山电力

工厂二次干灰。粘土：取自南京江宁某地，研磨筛分

试验所用的粘土和粉煤灰的主要化学成分为

数量如表1所示。

1.1.2 测试方法

在1000 mL容量瓶中加入一定量的

表1 粘土和粉煤灰的主要化学成分

表 1 主要

粘土和灰分含量 %

产品名称

二氧化硅

铝

铁

CaO MgO 烧失量

粘土 66.17 14.02 5.80 0.95 0.68 —

粉煤灰 49.02 20.27 3.24 4.87 0.30 15.63

加入蒸馏水溶解，直至溶解，充分混匀，进行溶解试验。

测试开始20分钟，并不断搅拌以确保溶解

材料能够快速扩散；过程中每5分钟手动混合一次。

次。定期取样，每次 50 mL。为防止干扰，

离心后取上清液测量其 pH 值和 Ca

2 +

专注。

采用玻璃电极法测量 pH 值；Ca

2 +

EDTA 浓度测定方法

络合滴定。

1.2 TBX多孔陶粒滤料的制备

通过对试验材料供碱量和钙释放量的分析，结合硅

TBX多孔陶粒过滤研究酸性钙盐的形成及转化反应机理

由白色硅酸钙水泥、粉煤灰、粘土和氧化钙制成

为主要原料，添加少量硅酸钙及硬硅钙石纤维。

并加入适量外加剂调节水化反应速度、水固比

0.55，采用铝粉（100～200目，技术条件符合Q/

CYDZ 185—2004，由国药集团化学试剂有限公司提供。

制备步骤如下：首先，按一定质量比

将干粉材料混合均匀，加水搅拌至呈流体状，然后加入

粒径2mm陶粒骨料（马鞍山华启环保科技有限公司提供）

供给），搅拌成颗粒，静置24小时，待其凝固；

成型后在高压反应釜内进行高温蒸汽固化；

完成后取出，在105℃的温度下烘干，备用。

1.3 低浓度含磷废水的吸附处理

通过静态振动台试验考察了所制备滤料的吸附和除磷效率

准确量取1000 mL含磷废水，转移至分液漏斗中。

加入一定量配制的滤料，塞好后进行恒温振荡。

在试验取样过程中，为了防止磷酸盐颗粒的吸附

将晶体与样品一起取出，并使用 2000 mL 梨形分液漏斗分离。

作为吸附容器，在漏斗入口处装入少许脱脂棉。

过滤掉细小颗粒并定期取样进行分析。

钼酸铵分光光度法。

水、磷酸二氢钾（KH

邮局

) 和蒸馏水来准备测试

试验采用含磷废水，考虑到一般废水的磷含量范围，浓度配制如下：

C＝10.0毫克/升。

2 实验结果与讨论

2.1 试验材料的供碱及释钙性能

试验材料：白色硅酸钙水泥、硅酸钙、硬硅石纤维

0 9 3

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第3期刘宝和等：TBX多孔陶粒滤料的制备及废水吸附除磷试验研究

粉煤灰、粘土、纤维素浸出液供碱与钙释放实验结果

如图1、图2所示。试验中添加各材料量均为10g。

输出量为1000毫升。

试验开始后，除粘土外，其他材料渗滤液的pH值

pH值迅速上升，40分钟后基本达到平衡。

各种物料的渗滤液pH值如下：白色硅酸盐

水泥 > 硅酸钙 > 粉煤灰 > 硬硅钙石纤维 > 粘土，

中粘土几乎不提供碱性，浸出溶液呈弱酸性。

硅酸盐水泥、硅酸钙及粉煤灰渗滤液pH值较高。

分别为 12.34、11.28 和 10.51，但硬硅钙石纤维

渗滤液较小，为9.34。据报道，钢渣

[9]

、粉煤灰

[10]

等均有较好的除磷效果。从原料碱供给角度可以看出

钢渣、粉煤灰等的除磷效果与浸出液的pH值有关。

在强碱性环境下，酸自由基很容易通过磷酸盐沉淀去除。

处理后出水pH值较高。

对应浸出液pH值的变化，Ca

2 +

专注

显示出相似的趋势，但钙释放能力和

钙的释放速度不同。试验结果表明，浸出液中Ca

2 +

集中

强度大小顺序为：白色硅酸盐水泥>硬质硅酸钙纤维>

图1 试验材料浸出液pH值与溶解时间关系

图 1 pH 值

考验与时间

图2 试验材料渗滤液中的Ca

2 +

浓度与溶解时间的关系

图 2

考验与时间

硅酸钙>粉煤灰>粘土，其中白色硅酸盐水泥、硬质硅酸盐

钙纤维和硅酸钙均具有良好的钙释放能力。

从程度上看，粉煤灰表现最快，很快达到平衡，但其钙释放能力

较差；白色硅酸盐水泥早期释放快，稳定后释放慢

增加；硬硅钙石纤维、硅酸钙均呈缓慢上升趋势

测试材料中钙释放率的不同可能是由于硅酸钙盐

该类材料的水化和钙释放速度较慢，但​​材料中的游离氧

氯化钙可使体系Ca

2 +

浓度迅速增加。

2.2 硅酸钙和硬硅钙石纤维的钙溶解动力学

硅酸盐材料一般采用多组分原料，如SiO

和

CaO等高温烧结，快速凝固过程中出现多相

非平衡共存、结晶性较差的特点使得其物理性质难以定量分析。

相互

[11]

探索硅酸钙和硬硅钙石纤维的供碱和释钙作用

机理，投加量分别为0.05、0.1、0.2、0.5、1、2g/L。

硅酸钙和硬硅钙石纤维碱释钙试验，试验结果如下

如图3至图6所示。

图3 硅酸钙投加量对渗滤液pH值的影响

CaSiO图3

pH 值

从图3、图4可以看出，在投加剂量范围内，渗滤液

pH 和 Ca

2 +

浓度和 CaSiO

剂量与

硅酸钙

随着投加量的增加，pH值和Ca

2 +

浓度持续上升。

pH值起初上升较快，10min后上升速度减慢。

2 +

专注

变化比较平缓，且逐渐增大。图5、图6中，硬硅钙石

纤维沥出液 Ca

2 +

浓度变化规律及CaSiO

基础阶段

类似,但pH值变化规律不同,增幅相对较

硬度较小，受用量影响较小的现象。

硅酸钙纤维的供碱强度小于CaSiO纤维

，有助于防止浸出

硅酸钙和黄硅酸钙释放

速度可分为两个阶段：0~50分钟，Ca

2 +

发布速度

速度越来越快；然后，速度减慢，整体浓度缓慢上升。

国内外学者经常采用各种动力学方程来研究土壤溶液

对液相体系化学反应动力学数据进行了拟合。

力学方程包括一级动力学方程、方程组和抛物线方程。

扩散方程

[12]

，其中方程如下：

1 9 3

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北京大学学报（自然科学版）第46卷