赤泥基多孔粒状复合材料的制备及其对磷的去除与释放机制研究

Red mud-based porous granular composite material (RM-CM) will be prepared by granulation and microwave-assisted activation methods. Two main solid wastes are selected as the raw materials: red mud - a waste residue from alumina industry, performs quite well on phosphate adsorption; and fly ash - a solid waste from coal fired power plant, plays the roles of cementing agent under alkaline condition and aperture producer through activation. Based on optimization design of preparation parameters, RM-CM will be applied as an adsorbent for phosphate removal in water treatment and a controlled-release agent of phosphate fertilizer in soil remediation. The physicochemical properties of RM-CM will be measured to evaluate the influence of preparation parameters on their characteristics, and mechanisms of preparation will be discussed. The relationship between its characteristics and phosphate removal properties will be analyzed, then the functional components and structures for phosphate adsorption can be determined. Properties of RM-CM on phosphate adsorption will be evaluated by thermodynamics and kinetics study under different water conditions, so the relevant model will be built and mechanisms of phosphate removal will be discussed in details. The phosphorus release and storage properties of RM-CM in soil will be investigated; the form and content of phosphorus in RM-CM and soil will be measured, and the mechanism of release and migration will be determined. This study will develop new methods for environmental friendly materials preparing from solid waste. It is also of great theoretical and practical importance for the application of such materials in environmental remediation area.

利用制铝工业废渣-赤泥对水中磷酸根的吸附作用，结合燃煤电厂粉煤灰在赤泥碱性环境下发生水化胶凝作用及其中未燃尽碳的成孔作用，采用造粒及微波活化的方法，研制可用作水中可溶性磷酸盐吸附剂以及土壤中潜在磷肥缓释剂的赤泥基多孔粒状复合材料。研究测试材料的理化性质，分析制备参数对材料理化性质的影响，明确原料组分在制备过程中发生的物理变化和化学反应，研究材料理化性质与除磷特性之间的关系，揭示材料中可吸附磷的成分和结构。研究材料在不同水环境条件下对磷的去除行为，结合热力学和动力学研究构建相应模型，深入分析材料对水中磷的去除作用机理。研究材料再用于土壤中对磷的释放和吸储行为，分析磷在材料和土壤两相间存在形式和含量的变化情况，揭示材料再利用过程中磷的释放迁移机制。该研究可为赤泥和粉煤灰等固体废弃物开发生态环境材料提供科学依据，对相关材料在环境修复领域中的应用具有重要意义。

本项目从以废治废和资源循环的角度出发，基于制铝工业废渣-赤泥对水中磷酸根的吸附作用，添加其他常见工业固体废物，采用造粒后微波与焙烧相结合的活化方法，研制了一种便于回收的多孔粒状复合材料，可用作水中可溶性磷酸盐的吸附剂以及土壤中潜在磷肥的缓释剂。.本项目实施过程中，研究了制备参数对复合材料除磷效果的影响、原料组分在制备过程中发生的物理变化和化学反应，及材料理化性质与材料除磷特性之间的关系。同时，研究了材料在不同的水处理条件下对磷酸盐的去除行为，以及相关热力学和动力学研究，分析了材料除磷作用机理。进一步研究了材料再用于土壤中对磷的释放行为，分析了磷在材料和土壤两相间的变化情况。.研究结果表明，各种原料在该材料的制备中主要起以下作用：赤泥中的主成分经活化后，于水相中可生成有-OH基团的结构，同时赤泥中含有大量金属氧化物，共同起除磷作用；燃煤电厂粉煤灰在赤泥碱性环境下发生水化胶凝作用，能够增强材料的可塑性，同时其中少量未燃尽碳在活化过程中促进孔隙生成，可增大材料的比表面积；水泥废料作为凝胶材料，可以改善颗粒材料的抗粉化强度。获得的优选制备条件如下：赤泥、粉煤灰和水泥的原料质量配比为85:10:5，微波活化功率700W，焙烧活化温度800℃，微波与焙烧时长均为15min。该材料适用于酸性条件下（pH为3.0~7.0）磷酸根的吸附去除，同时水体中常见的阴离子对除磷效果无显著影响。机理研究表明：该材料的除磷行为是吸热反应，可用Langmuir等温模型与伪二级动力学较好描述。材料对磷的去除主要体现为三种作用：磷酸根与材料表面-OH基团的配体交换作用，磷酸根与材料溶出金属离子的沉淀作用，磷酸根在材料颗粒内相对发达孔隙结构间的扩散作用。.该研究获得了一定实验数据和科学推论，可为赤泥和粉煤灰等固体废弃物开发生态环境材料提供科学依据，对相关材料在环境修复领域中的应用具有重要的意义。.