类质同象置换磁铁矿高效去除和回收水体中磷酸根的机制研究

【作者】 魏燕富； 李正； 袁鹏； 吴宏海；

【机构】 澳门科技大学,澳门环境研究院/澳门海岸带生态环境国家野外科学观测研究站； 华南师范大学环境学院； 中国科学院广州地球化学研究所,中国科学院矿物学与成矿学重点实验室/广东省矿物物理与材料研究开发重点实验室； 广东工业大学环境科学与工程学院；

【摘要】 磷作为我国战略性资源之一,主要以磷矿的形式在自然界赋存,具有不可替代且难以再生等特点。磷矿大多用于化肥生产,也是精细磷化工产品的重要原料,在我国经济和社会发展中具有重要的地位。然而,磷矿属于一次性矿产资源,以目前消耗速度计算,世界磷矿将在100年内耗尽而我国磷矿仅供开采70年。为保障国家农业和经济安全,我国于2016年将磷矿列为"战略性非金属矿产"。随着磷矿资源的大量消耗及磷矿需求量增加,磷矿石的长期供应持续紧张,导致磷矿石的价格持续上涨。因此,在磷资源开采及利用过程中进行磷回收,是缓解磷资源紧张的有效方法。为提高磷资源利用率,对城市生活污水中丰富的磷进行去除和回收成为磷资源利用研究的热点。吸附法是城市生活污水中磷去除和回收的重要方法。然而,目前吸附法在实际生活污水磷去除和回收过程中很少应用的主要原因在于:吸附剂大多为粉体材料,较难从污水中分离;吸附剂在再生后除磷性能显著降低,因此需定期更换吸附剂,这进一步增加磷去除和回收成本。近期,我们通过对磁铁矿进行结构活化,通过水热反应将少量镧或镁与磁铁矿铁晶胞结构铁进行置换,分别制备了镧和镁类质同象置换磁铁矿,通过聚焦离子束、高分辨透射电子显微镜和X射线能量色散光谱、X射线光电子能谱、傅里叶变换红外光谱等技术对样品进行表征。鉴于磁铁矿对镧或镁的晶格锁定,二者被较好地固定于磁铁矿中。这不仅防止吸附和再生过程中镧或镁从磁铁矿表面流失,更提高镧或镁类质同象置换磁铁矿对城市生活污水中去除和回收磷的性能。以镧类质同象置换磁铁矿为例,少量镧(2.66 wt%)类质同象置换磁铁矿的最高吸附量为115 mg P·g-1,远超过大多数镧含量为20～30%的除磷吸附剂。此外,该吸附剂在再生过程中镧的损失率较低,10次再生后仍保留92.9%的初始镧含量,远低于氢氧化镧和磁铁矿复合吸附剂(损失32w%的初始镧含量)。吸附-解吸循环实验表明,镧基类质同象置换磁铁矿对具有较好的再生性能。其吸附磷的机制主要为表面配位和静电吸引作用。本研究的发现——镧或镁类质同象置换磁铁矿有望用于多种吸附反应——为废水资源化回收提供了一种新思路。更多还原