新型高性能牡蛎壳质吸附材料的制备及其废水除磷除铅的特性研究

用牡蛎壳和铁合金冶炼过程产生的超细硅微粉尘为主原料经成型-热处理-水热处理制备新型的废水净化吸附材料。该材料以硅酸钙水合物为主晶相，具有发达的三维立体网状结构，其表面质点高度活化，用于废水除磷除铅时，吸附产物以原吸附剂为骨架和核心有序沉积，继续自动形成多级立体网孔状结构，不但不会封闭原吸附剂的活性表面，而且创造更多的活性中心吸附点，实现吸附剂边吸附、边生长的新模式。突破了传统吸附剂普遍存在的易饱和、效率低、难回收的不足，设计了吸附结构的新思路。本课题通过改变工艺参数制备不同孔洞和微晶结构的吸附材料，并探索这些材料在各种不同条件下对磷及铅的吸附特性，借助多种表征手段弄清影响吸附剂微晶形态及孔洞结构的关键因素，揭示吸附剂对磷及铅等重金属的吸附和再生时孔结构的变化规律，明确吸附机理，实现吸附剂的微结构可控制备，为最终制备具有多效、高效、长效的新一代结构自生长的牡蛎壳质吸附剂提供理论依据和指导。

在国家自然科学基金（51102047）的支持下，本项目自2011年9月依计划按时启动，目前已顺利完成预定的研究工作。项目以牡蛎壳和硅微粉为主要原料，利用原料天然独特的孔结构和高活性等特点，经烧结-水热等工艺研制了新型的具有三维立体多级孔结构的水合硅酸钙质型体吸附剂，采用氮气等温吸附脱附法，XRD，SEM，EDS，IR等表征手段对吸附剂的微观结构和表面官能团等特性进行了表征，结果表明该牡蛎壳质吸附材料的主晶相为硅酸钙，表面官能团以羟基为主，具有丰富发达的孔结构，保证了其强大的吸附能力。探讨了吸附剂对水体中磷、铅和铜等重金属离子污染物的吸附去除机制，研究了不同环境条件如pH,污染离子不同初始浓度，吸附时间和环境温度等不同因素对吸附去除效果和吸附容量的影响，用原子吸收分光光度计等测试重金属离子的浓度，用XPS等分析表征重金属离子在吸附剂表面的存在状态，得到了吸附剂的最佳工作参数，并对吸附前后吸附剂的微观结构变化进行了对比和表征。用Langmuir 和 Freundlich两种热力学模型， Lagergren、PSO及 Elovich三种动力学模型对吸附过程进行拟合，探讨了吸附机理。项目还对牡蛎壳质吸附材料的循环除铅性能进行了表征，设定含铅废水浓度为5mg/L，样品/废水用量比例为1g/40mL，每天更换并测定模拟废水的含铅浓度，结果表明：55天后，吸附剂平均除铅率为81.65%，累积单位质量除铅材料吸附量达9.04mg/g，表明本吸附材料具有优异的循环吸附能力。. 研究结果表明本项目研制的新型牡蛎壳质吸附剂可实现载体结构自组装优化，在工作过程中，吸附产物以载体为骨架和核心，可自动实现在载体上有序的沉积，继续形成多孔网状结构，不但不会封闭原有吸附剂的活性表面，而且创造更多的活性中心吸附点，是一种可在多重污染水体中持续起效的可回收创新型吸附剂。吸附剂为型体材料，易于回收再生使用，具有优异的循环使用功效，可为我国严重水体富营养化和重金属污染问题的解决贡献力量，具有重要的研究意义。总之，本项目设计了吸附结构的新思路，完善和发展了相关吸附理论，研制的吸附材料可为新一代多效、高效、长效吸附材料研制提供理论指导。. 本课题申请时预计发表论文4～5篇，申请发明专利2项。目前以上计划已顺利并超额完成，共发表论文10篇（其中SCI，EI收录10篇），授权发明专利3项，表明研究成果得到认可