【摘 要】
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当前,磷资源短缺以及磷污染问题已经成为全世界亟待解决的两大难题。在众多的除磷工艺中,化学吸附法因其操作简单、成本低、效率高、污泥产率低且选择性高等优点而被认为是一种有前途且可行的技术。本研究中,以农业废弃物（甘蔗渣）为生物质原材料,以大理石废料和富钙海泡石为Ca/Mg改性原材料,通过一步热解法合成了两种Ca/Mg改性生物炭复合材料（Mar-BC800与Sep-BC800）用于高效去除和回收废水中的
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当前,磷资源短缺以及磷污染问题已经成为全世界亟待解决的两大难题。在众多的除磷工艺中,化学吸附法因其操作简单、成本低、效率高、污泥产率低且选择性高等优点而被认为是一种有前途且可行的技术。本研究中,以农业废弃物（甘蔗渣）为生物质原材料,以大理石废料和富钙海泡石为Ca/Mg改性原材料,通过一步热解法合成了两种Ca/Mg改性生物炭复合材料（Mar-BC800与Sep-BC800）用于高效去除和回收废水中的磷酸盐。首先,通过采用SEM-EDS、元素分析仪、ICP-OES、XRD、FTIR、BET和Zeta电位仪等表征手段对Mar-BC800和Sep-BC800的物理化学性质进行分析。其次,系统考察了热解温度、投加剂量和溶液p H对Mar-BC800和Sep-BC800吸附磷酸盐的影响,并探究了Mar-BC800和Sep-BC800吸附磷酸盐的吸附动力学、吸附等温线、吸附热力学和吸附机理。最后,探究了竞争阴离子、抗生素和实际水体对Mar-BC800和Sep-BC800吸附磷酸盐的影响,研究了Mar-BC800和Sep-BC800对磷酸盐的动态吸附行为,并进行了有效磷浸出实验以及经济效益分析以综合评价Mar-BC800和Sep-BC800在实际工程中的应用前景。主要结果如下:（1）Mar-BC800和Sep-BC800均呈现无序、多孔且破碎的表面结构,且Ca和Mg元素均成功的掺入生物炭的表面,并以Ca O、Ca（OH）2、Mg O和Mg（OH）2的形式存在。此外,相较于未改性的生物炭,Ca和Mg元素的掺入让Mar-BC800和Sep-BC800拥有更丰富的孔结构和表面官能团,且比表面积、孔体积和孔径的大小均有大幅提高。事实证明,经过Ca/Mg改性的生物炭能够形成更有利于吸附磷酸盐的物理化学性质。（2）800℃下热解制备的Ca/Mg改性生物炭展现出对磷酸盐最好的吸附性能,且Mar-BC800和Sep-BC800的最佳投入剂量分别为0.3 g/L和0.6 g/L。其中,Mar-BC800展现出对磷酸盐的吸附性能最佳。同时,Mar-BC800和Sep-BC800具有较强的环境适应性,在3-11的宽p H范围内均对磷酸盐有优异的吸附性能,Mar-BC800和Sep-BC800对磷酸盐的最大吸附容量分别为263.17 mg/g和128.21 mg/g。此外,伪二阶动力学模型和Langmuir吸附等温线模型更好地描述了磷酸盐被吸附的过程,证实吸附过程以化学吸附为主。同时,吸附过程均为吸热反应,且反应是自发进行的。（3）Mar-BC800和Sep-BC800对磷酸盐的吸附机理包括表面沉淀、静电吸引、表面络合和物理吸附。其中,表面沉淀为Mar-BC800和Sep-BC800吸附磷酸盐的主要吸附机理,具体为Ca2+和Mg2+与磷酸盐形成Ca5（PO4）3OH、Mg3（PO4）2和Mg3（PO4）2·4H2O沉淀。（4）竞争阴离子、抗生素和实际水体不会对Mar-BC800和Sep-BC800吸附磷酸盐产生影响。且动态吸附条件下,Mar-BC800和Sep-BC800仍对磷酸盐具有优异的吸附性能。此外,Mar-BC800和Sep-BC800的生产成本仅需要0.355$/kg和0.680$/kg,且吸附磷酸盐后的Ca/Mg改性生物炭能够很好的将有效磷浸出。证实Mar-BC800和Sep-BC800具备良好地稳定性、吸附选择性和经济效益性,表明Mar-BC800和Sep-BC800在实际废水处理中具有很高的应用潜力。同时,吸附磷酸盐后的材料具备作为磷肥的潜力,其可以增加土壤的肥力和改善土壤的物理化学性质。
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