氢氧化铈大孔水凝胶对磷的吸附效果及机理研究

研发简介

近年来，湖泊富营养化问题一直亟待解决，其中磷超标是许多湖泊面临的难题。当前除磷技术主要分为化学沉淀法、生物法、吸附法、电解法、膜分离法等。其中，吸附法具有速度快、操作简单、可再生利用等优点，寻求一种良好的吸附材料成为近年来研究热点之一 。目前，基于稀土金属的新型吸附材料受到广大学者的关注，研究发现稀土金属对阴离子有较强的吸附效果。

研究课题

通过前端聚合法快速制备出氢氧化铈大孔水凝胶（PAM-HCO水凝胶），并研究了 PAM-HCO水凝胶对磷的吸附效果及吸附机理。结果表明，含有 4wt%HCO 的 PAM-HCO 水凝胶对磷的吸附效果最佳，吸附容量达到 15.50 mg/g，吸附平衡时间为15 h。Langmuir吸附等温方程对PAM-HCO水凝胶吸附磷的过程拟合较好，表明是以单分子层吸附为主；吸附动力学方程拟合结果发现，内扩散速率是PAM-HCO水凝胶对磷吸附速率的关键影响因子。

图文解析

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PAM-HCO水凝胶对磷的吸附效果

不同含量PAM-HCO水凝胶对磷的吸附效果如图 1 所示，结果表明，空白 PAM 水凝胶对磷的吸附效果很差，吸附容量仅为 1.21 mg/g；随着 HCO 含量的增加，PAM-HCO 水凝胶对磷的吸附效果也逐步增加；当 HCO 的含量为 4wt%时，PAM-HCO 水凝胶对磷的吸附效果最佳，吸附容量为 15.50 mg/g。

图1 不同含量PAM-HCO水凝胶对磷的吸附效果

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吸附动力学

为了进一步探究PAM-HCO水凝胶对磷的吸附过程，采用准一级吸附动力学方程、准二级吸附动力学方程和颗粒内扩散模型进行拟合。由图2可知，准一级动力学方程和准二级动力学方程均拟合较好，且准二级动力学方程拟合结果更佳（R2 =0.998）；PAM-HCO 水凝胶吸附磷的过程可分为两个阶段，即第一阶段（0～6h），PAM-HCO水凝胶对磷的吸附速率较快；第二阶段（6～24h），PAM-HCO水凝胶吸附速率逐渐减缓并最终达到吸附平衡。

图2 PAM-HCO水凝胶对磷的吸附动力学拟合结果

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PAM-HCO水凝胶对磷的吸附机理

由图3可知，PAM-HCO 水凝胶为大孔网状结构，吸附磷的PAM-HCO水凝胶孔隙致密、表面呈粗糙状，这是由于HCO与磷酸根发生了络合反应形成沉淀所致。

图3 PAM-HCO水凝胶吸附磷前后的SEM图

思考与建议

⑴ 通过低共熔溶剂和前端聚合法，快速制备出一种分散均匀的氢氧化铈大孔水凝胶（PAM-HCO）。

⑵ 含有 4wt%HCO 的PAM-HCO 水凝胶对磷的吸附效果最佳，吸附容量达到 15.50 mg/g，吸附平衡时间为15 h。

⑶ Langmuir吸附等温方程拟合结果较好，说明 PAM-HCO 水凝胶对磷的吸附以单分子层吸附为主；吸附动力学方程拟合结果表明，内扩散速率是PAM-HCO水凝胶对磷吸附速率的关键影响因子。

期刊作者

《水处理技术》，2022年第9期

作者：熊承旺，段 宁 ，陶 敏等

作者单位：

（1）武汉科技大学，资源与环境工程学院；

（2）湖北理工学院，环境科学与工程学院；

（3）黄石湖理环保节能产业技术研究院