改造与调控对天然沸石性能可控性和协调性的影响和机理

针对市政污水处理厂二级出水深度处理氮、磷、病菌不能同步去除的问题，结合天然沸石和二级出水污染物特性，通过改造和调控颗粒物化性质，揭示其性能可控性和功能协调性的影响规律和内在机制。采用热处理、化学、微波等改造方法，研究改造条件对沸石孔道大小、孔径分布、反应活性等的影响和作用机理；引入无机阳离子和载入无机抗菌离子调控颗粒表面和孔道荷电与抗菌性能，研究无机阳离子对颗粒表面电位与反应活性的影响规律和作用机制；考查抗菌离子载入对孔道大小、孔径分布和表面性质的影响行为；借助吸附试验、热力学和动力学分析及微观测试手段，研究经改造和调控后的沸石同步脱氮除磷和抗菌机理；研究改造和调控后颗粒表面、孔道的性质和结构与同步脱氮除磷和抗菌性能之间的关系规律；进行粉体造粒和再生试验，研究造粒和再生控制因素。通过研究，将有效解决天然沸石功能协调性和性能可控性的科学问题，为矿物材料在环境领域的应用提供科学依据和技术支撑。

针对市政污水处理厂二级出水深度处理氮、磷、病菌不能同步去除问题，本项目以天然沸石为对象，通过对其改造和调控，制备出了具备同步脱氮除磷抗菌性能的改性沸石，揭示了沸石性能可控性和功能协调性的影响规律和内在机制。采用焙烧、微波、化学改造方法，研究得出了各影响因素对沸石比表面积、孔道大小、孔径分布、化学组分和反应活性等的影响规律，结果发现，酸改造可以明显提高沸石颗粒比表面积，碱和盐改造会导致比表面积降低，而焙烧、微波改造会因水平不同导致沸石比表面积增加或降低；适宜的焙烧和微波改造可以增大沸石颗粒的平均孔径和总孔体积，酸改造会导致沸石的孔体积及孔径变小，碱改造会使沸石孔径变大；氯化铝改造会增大沸石孔体积及孔径，而其他盐改造则影响不大；适宜的酸碱盐改造均使沸石CEC值增加，而焙烧和微波改造对沸石CEC的影响规律不明显。采用IR、NMR、XPS、XRD等测试手段揭示了焙烧、微波、化学改造与沸石颗粒的作用机理。无机阳离子调控对颗粒表面电位、反应活性和抗菌性能的影响研究表明，Al3+、Mg2+调控对沸石颗粒荷电性影响不大，而La3+调控可以增加沸石表面正电位；Al3+、Mg2+调控沸石的AEC随其浓度增加先增大后减小，而La3+调控后，沸石的AEC均减小；沸石先载Ag+后载Zn2+的抗菌效果最优，其抗菌机理为金属离子溶出和静电吸附接触的协同作用。运用SPSS统计分析法，研究得出了改造和调控后沸石颗粒物化性质与同步脱氮除磷抗菌性能之间的关系规律，获取了沸石物化性质影响其脱氮、除磷和抗菌效果的权重顺序，建立了二者的关系模型。结合SEM-EDS、FTIR、ICP和XPS测试手段，揭示了复合沸石同步脱氮除磷机理，结果发现，复合沸石去除氨氮主要为离子交换作用，而磷酸盐的去除则主要表现为表面络合反应，其对氨氮和磷酸盐的吸附模型均可与Langmuir和Freundlich模型较好拟合，吸附速率由膜扩散和内扩散共同控制，吸附过程为自发的吸热反应，对再生水中氨氮和磷酸盐的最大吸附容量分别达到21.18 mg/g和8.96 mg/g。研究发现“盐酸浸泡+微波辅助（NaCl+NaOH）解吸+载镧”工艺对吸附饱合沸石再生效果较好，而以蒙脱石为粘结剂辅以钢渣对沸石粉体进行造粒对其脱氮、除磷效果影响不大。该研究有效地解决天然沸石功能协调性和性能可控性的科学问题，为矿物材料在环境领域的应用提供科学依据和技术支撑。