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项目组合成单分散有机胺修饰氢氧化镧纳米晶用于高效深度除磷

来源:admin  浏览量:  发布时间:2024-04-23 10:10:48

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图1 图文摘要

吸附法效果稳定、操作简单、适用范围广,是深度除磷的主流技术。由于与磷酸根的强结合力(pKsp= 26.16),镧系材料常被用于深度除磷;但大多数镧系材料吸附容量偏低(< 100 mg P/g),且由于静电排斥作用导致对磷酸根的吸附速率较慢。因此,亟需研发具有超高吸附量和快速吸附动力学的除磷材料,以适应磷酸根微污染水的深度净化需求。

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2 OA-La(OH)3的合成与表征

目提出了利用油胺表面包覆避免La(OH)3纳米晶团聚并实现静电吸引加速传质的磷酸根强化吸附策略。项目将乙酰丙酮镧在油胺和十八烯的混合溶剂中加热反应,经过连续还原、成核,生长为机胺修饰的氢氧化镧纳米晶。其中,油胺作为一种长链有机胺会特异性包裹在La(OH)3纳米晶表面,避免纳米晶团聚,有利于合成小尺寸La(OH)3纳米颗粒,所得纳米材料OA-La(OH)3的平均粒径为17.2 ± 2.1 nm。

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图3 氨基质子化和磷酸根离子迁移

N 1s XPS表明OA-La(OH)3表面的氨基在水溶液中易于质子化为NH3+,同时以磷酸根(H2PO4HPO42-)作为拉曼探测pH的信号分子,证明了OA-La(OH)3表面呈微碱性,且绝大部分氨基已质子化。Zeta电位结果也表明OA-La(OH)3含有更高的等电点和更多的正电荷,有利于定向富集低浓度电负性磷酸根离子,加速磷酸根离子向吸附剂表面迁移和固定,打破低浓度磷酸根传质壁垒。

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图4 深度除磷的性能

OA-La(OH)3展现出优异的深度除磷性能和循环性。初始磷浓度为1 mg/L条件下,5分钟内OA-La(OH)3实现完全吸附除磷,最大饱和吸附量高达168 mg P/g,远优于未修饰的La(OH)3(105 mg P/g)和商业La(OH)3(66.2 mg P/g)。该材料还展现出优异的选择性和循环性,经过5次循环仍能完全吸附除磷。在连续流装置中,OA-La(OH)3可以有效处理~5000床体积的模拟废水和~3700床体积的实际废水至0.1 mg/L以下。

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图5 磷酸根吸附机理的研究

Zeta电位、XPS、红外光谱(ATR-FTIR)和理论计算结果进一步揭示了OA-La(OH)3吸附除磷的机理。具体来说,水体中的磷酸根定向迁移至OA-La(OH)3表面,与其表面-OH发生配体交换,以双齿双核配位构型(BB-H1)稳定吸附在OA-La(OH)3表面。红外光谱图中,归属于双齿双核配位构型的峰发生红移,这说明表面氨基与磷酸根之间形成氢键(N−H···O),且该氢键可以降低磷酸根的吸附能(-5.74 eV),这些结果为OA-La(OH)3的吸附除磷机理提供证据。
本研究提供了纳米除磷材料的可控合成和修饰策略,揭示了镧系除磷材料颗粒尺寸、表面修饰基团等结构特性与吸附性能之间的关系。研究成果以“Monodispersed and Organic Amine Modified La(OH)3 Nanocrystalsfor Superior Advanced Phosphate Removal”为题发表在知名学术期刊《Advanced Materials》(https://doi.org/10.1002/adma.202400870)。上海交通大学么艳彩副教授和张礼知教授为通讯作者,上海交通大学博士生胡路发和博士后占光明为第一作者。研究得到了国家重点研发计划(No. 2022YFA1205601, No. 2022YFA1205602)等项目资助。