高活性铁基生物复合材料高效除磷特性及缓释肥应用研究

Advanced treatment of phosphate in water is an important guarantee for eutrophication control. In this project, it is expected to develop a new biocomposite with high removal activity toward phosphate by immobilizing iron oxide nanoparticles on the surface of crop straw, where have been modified by highly-charged long-chain quaternary ammonium groups, In order to resolve the potential application bottlenecks of activity reduction caused by over loading of nanoparticle aggregation through the formation of strong electrostatic field surroundings. The underlying performance and mechanism for phosphate removal by biocomposite would be concerned, the impact of coexistence medium and operating conditions on the performance of biocomposite would be illustrated. In particular, we would elucidate the structure-activity relationships between degree of ionization, carbon chain length and the phosphate removal activity by biocomposite. Besides, research on the behavior of slow-release for P-laden biocomposite would also be performed to understand its performance as a fertilizer. Finally, advanced removal of phosphate in biotreated effluent will be evaluated to test the practical performance of the new biocomposite.

水中微量磷酸盐的深度净化是控制水体富营养化的重要举措。本项目针对纳米复合除磷吸附材料存在负载量过高而导致嵌入纳米颗粒局部团聚和生长、纳米尺寸效应大大削弱的技术瓶颈，提出基于强电场长链季铵基修饰的麦秆材料为载体，纳米氧化铁为无机功能吸附剂，研制新型的高活性铁基生物复合吸附材料。探究生物复合材料深度除磷性能、共存干扰及净化机制；解析高电离长链季铵基静电场效应和位阻效应对纳米颗粒分散性的促进作用及机制，阐明载体功能基电离形态、碳链长度对纳米颗粒活性及除磷性能的影响及构效关系；进一步考察含磷饱和复合材料在土壤中的磷肥缓释效果及影响因素；在此基础上系统评价复合材料对磷污染水体的实际净化性能。研究结果将为磷污染水体深度净化和安全控制提供理论基础和技术支撑。

水体磷酸盐深度净化是控制富营养化的重要途径。纳米复合吸附材料在除磷过程中，容易负载量过高而导致嵌入纳米粒子团聚与生长，小尺寸效应明显减弱，导致材料纳米活性缺失的技术瓶颈，提出基于强电离季铵基修饰的生物质为载体，纳米铁氧化物为无机功能吸附剂，研制一种新型高活性铁基复合除磷吸附材料。本报告重点针对该项目涉及的材料制备与表征、吸附性能与机理、强电离季铵盐修饰复合材料构效关系的解析、再生及稳定性等四个方面进行阐述：（1）开发了具备高活性的担载型纳米复合材料。充分借助载体强电离季铵基特有的强静电场效应，解决了现有复合材料纳米粒子负载量过高而导致纳米颗粒局部团聚和生长、工作吸附容量不佳的技术瓶颈，解决了现阶段除磷吸附材料亟待解决的难题。（2）系统评价了复合材料的吸附性能与机理，证实了强电离季铵盐基的修饰对磷酸根吸附有明显促进作用，XPS及红外表明复合材料除磷机理主要为负载型纳米氧化铁对磷酸根的专属配位作用。（3）首次获得载体官能基团静电场效应对孔道内纳米粒子分散性及活性的作用规律，研究证明表面功能基电离活性越强，纳米粒子分散性能得到显著增加，其相应的除磷活性也得到明显提升。根据功能基电离程度对纳米粒子分散性与活性、工作吸附容量之间构效关系，可对复合材料的结构进行调控，有望为同类高活性复合材料的结构设计与优化提供理论依据，该研究结果达到了与国际同行相近的研究水平。（4）再生及稳定性方面，与对照材料相比具有广泛的pH适应性，在pH=2时氧化物依然保持良好的稳定性，再生实验表明经10次吸附-脱附循环实验后复合材料仍表现出稳定的除磷性能，在实际废水处理中具备较大应用潜力。该项目研究结果显著的推进了纳米氧化物-生物复合材料的工业应用进程，对作物秸秆的资源化利用及水体磷污染治理具有重要意义。