一种用于污水除磷的施氏矿物及其高效合成的方法技术

本发明专利技术提供了一种用于污水除磷的施氏矿物及其高效合成的方法，包括：通过少量添加碱性物质来调控、强化酸性矿山废水中溶解性铁的氧化和水解、成矿反应，大幅提升了施氏矿物的合成效率(一次成矿率>90％)。克服了现有技术中施氏矿物的合成效率低、工艺流程长和成本高的缺陷。同时，本发明专利技术基于碱调控合成的施氏矿物对富磷污水中的磷可产生强烈的物理和化学吸附，矿相中的硫酸盐也可与磷酸盐发生交换，吸磷性能优异(吸附容量19.9mg/g)，是一种极具应用前景的污水吸磷/除磷新材料。

【技术实现步骤摘要】
一种用于污水除磷的施氏矿物及其高效合成的方法
本专利技术属于废水处理和资源回收
，具体涉及一种用于污水除磷的施氏矿物及其高效合成的方法。
技术介绍
磷是所有生物体不可或缺的重要营养元素，也是一种不可再生的非金属矿产资源。近年来，由于农业生产对磷肥需求的不断增加以及磷化工行业的快速发展，大量的磷素从环境过程中流失，其中约80％随污水排放。这不仅导致了水体富营养化问题的日趋严峻，也在很大程度上加剧了因磷矿藏短缺而造成的“磷危机”。因此，从富磷污水中去除或回收磷、实现其再生循环，对于防控“磷污染”和缓解“磷危机”具有重要的现实意义。吸附法是一种经济有效、操作简单的从污水中去除与回收磷的技术途径，有很好的工程应用前景。目前，广泛使用的磷吸附材料主要有：改性的炭基材料、磁铁矿、双金属氢氧化物、离子交换树脂、分子筛等。许多研究表明，这些传统的吸附材料虽能取得较好的吸磷与除磷的效果，但其制备的方法、条件和工序大多比较严苛或较为复杂，导致了它们实际应用的处理成本较高。因此，亟需研发一种价廉易得、环境友好、高效的污水除磷新材料。施氏矿物(羟基硫酸盐铁Fe8O8(OH)6SO4)是一种广泛存在于酸性矿山废水环境中的富含铁和硫酸盐的废弃物。近几年，施氏矿物作为一种新兴的环境修复材料被大量用于土壤重金属钝化和污染水体中有毒污染物的去除，表现出了良好的效果，特别是对于水中As(III)、Cr(VI)的高效吸附、以及作为异相芬顿的催化剂降解水中抗生素、多环芳烃、苯酚等有机污染物。鉴于施氏矿物所具有的独特的表面结构和组成特性，比如：巨大的比表面积、丰富的羟基位点密度，以及高浓度的Fe和SO4等，我们推测，施氏矿物对水中磷酸盐可能也会有良好的吸附和交换去除性能，这就为专利技术一种基于“以废治污”理念的污水除磷新技术提供了可能。从酸性矿山废水中获得大量的施氏矿物是实现上述污水除磷技术构想的前提。由于施氏矿物在酸性矿山废水中自然形成的过程较为缓慢，因此需要人为调控、强化来促使其快速的生成。目前已有的促进酸性矿山废水中施氏矿物合成的技术方案主要为：接种嗜酸铁氧化菌的生物合成法、添加双氧水的化学合成法。然而，从已有的研究实践来看，这两类方法常常面临以下技术瓶颈：矿物合成效率低(一次成矿率<40％)、工艺流程长(要与零价铁的还原反应进行联合且需要多次的循环重复)、成本高昂(双氧水是危险化学品、添加量较大，有时还需高温高压辅助)。这些固有的缺陷极大的限制了施氏矿物作为一种有潜力的环境修复材料的大规模推广应用。因此，亟需研发一种利用酸性矿山废水高效合成施氏矿物的新方法。
技术实现思路
1、解决的技术问题针对现有的污水吸附法除磷所面临的以下技术瓶颈：吸附材料制备的方法、条件和工序较为严苛和复杂、成本较高，本专利技术提供了一种价廉易得的高效除磷新材料—施氏矿物；进一步的，本专利技术还提供了一种以酸性矿山废水为原材料，高效合成施氏矿物的新方法，克服了现有的施氏矿物的合成效率低、工艺流程长、成本高的缺点。2.技术方案为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：本专利技术提供了一种由酸性矿山废水高效合成施氏矿物的方法，包括：碱调控促进施氏矿物形成：将过滤后的酸性矿山废水先曝气培养一段时间，使Fe2+氧化为Fe3+，然后加入一定量的碱性物质，同时搅拌混合，调节体系pH为2-4，诱导废水中的Fe3+发生水解、成矿反应，产生黄棕色固体。优选的方案，本专利技术的一种用于污水除磷的施氏矿物及其高效合成的方法，包括以下步骤：(1)酸性矿山废水过滤除杂质：去除酸性矿山废水中的悬浮颗粒物；(2)合成施氏矿物：将过滤后的酸性矿山废水曝气培养一段时间，使废水中的Fe2+氧化为Fe3+，然后加入一定量的碱性物质，搅拌混合，调节体系pH为2-4，诱导废水中的Fe3+发生水解、成矿反应，产生黄棕色固体。(3)收集施氏矿物：抽滤黄棕色沉淀，用稀硫酸和去离子水清洗1-3次后干燥，研磨过100目筛网，得到施氏矿物。优选的方案，步骤(2)中所述的曝气培养时间为1-3天。优选的方案，步骤(2)所投加的碱性物质包括但不限于氧化镁、氢氧化钠、生石灰或氢氧化钾中的任意一种，投加剂量是1～5g/L，搅拌速度为100～300rpm，搅拌时间为3～5h。氢氧化钠可以选择以片碱或液碱投加。优选的方案，本专利技术提供了一种由上述方法合成的施氏矿物。所述施氏矿物的XRD图谱在18.24°、26.26°、35.16°、39.49°、46.53°、55.29°、61.34°位置具有特征峰。优选的方案，本专利技术提供了施氏矿物对于富磷污水中的磷吸附的应用。本专利技术制备的施氏矿物对水中的磷可产生强烈的物理、化学吸附，同时矿相中的硫酸盐与磷酸盐也可发生交换，因而，促进水中磷的含量大幅降低。所述富磷污水包括含磷工业污水、污泥液、畜禽养殖废水等，具体操作为：向富磷污水中加入施氏矿物进行震荡培养。优选的方案，向富磷污水中加入施氏矿物，置于往复摇床中振荡一段时间，所述往复摇床振荡培养条件为转速100-300rpm，温度为15-35℃，振荡时间为12-70h。优选的方案，所述水体中施氏矿物的添加量不少于12g/L。优选的方案，利用施氏矿物除磷吸附去除水体中的磷的步骤如下：向富磷污水中加入一定量的施氏矿物，恒温振荡混合培养一段时间，施氏矿物对水中的磷产生强烈的物理和化学吸附，同时矿相中的硫酸盐与磷酸盐也可发生交换，此时水中磷的含量大幅降低，随后过0.45μm滤膜，测定滤液中磷的含量，根据浓度变化，计算施氏矿物对磷的吸附率及吸附容量。3、有益效果相比于现有技术，本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术提供的污水除磷新材料—施氏矿物，XRD图谱显示了具有施氏矿物典型的特征峰，FI-IR谱图显示含有大量的-OH、SO42-和Fe-O官能团；本专利技术合成的施氏矿物对富磷污水中的磷可产生强烈的物理和化学吸附，同时矿相中的硫酸盐也可与磷酸盐发生交换，污水除磷的效果好。(2)本专利技术提供的施氏矿物的合成原料为酸性矿山废水，实现了“变废为宝、以废治污”；本专利技术提供的基于碱调控的施氏矿物的合成方法可将酸性矿山废水中施氏矿物的一次成矿率从40％提高至90％以上，合成效率大幅提升，而且具备过程温和，操作便捷、成本低廉、环境友好的优点。(3)本专利技术合成的施氏矿物对KH2PO4溶液中磷的吸附量高达19.9mg/g，明显优于其他方法制备的施氏矿物，是生物合成的施氏矿物的2.8倍，化学合成的施氏矿物对磷无明显的吸附。附图说明图1是实施例1中制备的施氏矿物的实物图；图2是实施例1中制备的施氏矿物的SEM-EDS图；图3是实施例1中制备的施氏矿物的傅立叶变换红外光谱(FT-IR)谱图；图4是实施例1中制备的施氏矿物与标准卡片对比的XRD图；其中，图a为实施例1中制备的施氏矿物的XRD图；图b为施氏矿物的标准卡片的XRD图；图5是实施例1中制备的施氏矿物与现有的生物合成法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种由酸性矿山废水高效合成施氏矿物的方法，其特征在于，包括：/n碱调控矿物形成：将过滤后的酸性矿山废水曝气培养一段时间，使Fe

【技术特征摘要】
1.一种由酸性矿山废水高效合成施氏矿物的方法，其特征在于，包括：
碱调控矿物形成：将过滤后的酸性矿山废水曝气培养一段时间，使Fe2+氧化为Fe3+，然后加入一定量的碱性物质，同时搅拌混合，调节体系pH为2-4，废水中的Fe3+发生水解、成矿反应，产生黄棕色固体。


2.根据权利要求1所述的由酸性矿山废水高效合成施氏矿物的方法，其特征在于：所述的曝气培养时间为1-3天。


3.根据权利要求2所述的由酸性矿山废水高效合成施氏矿物的方法，其特征在于：所投加的碱性物质包括氧化镁、氢氧化钠、生石灰或氢氧化钾中的任意一种，投加剂量是1～5g/L，搅拌速度为100～300rpm，搅拌时间为3～5h。


4.根据权利要求3所述的由酸性矿山废水高效合成施氏矿物的方法，其特征在于：所述方法还包括步骤(1)过滤除杂质：过滤去除酸性矿山废水携带的悬浮颗粒物。

【专利技术属性】
技术研发人员：方迪，刘兰兰，周立祥，
申请(专利权)人：南京农业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32