托贝莫来石负载氧化镁的不同制备方法及对比开题报告

1.托贝莫来石及其改性的方式

水是地球上最重要的资源之一，是维持生命的基本必需品。随着科技和工业化的进程，全球用水量翻了一番，污水排放量不容小觑^[1]。氮磷是农业生产必不可少的营养成分,同时也是造成水体富营养化的主要原因，高浓度含氮磷废水的排放会对水体环境造成巨大危害^[2]。由氮和磷引起的水体富营养化已成为全世界的一个环境问题，导致水体浑浊、颜色异常、藻类爆发，水生生物多样性下降，并破坏水体的自净能力^[3-5]。目前中国的某些湖泊已出现不同程度的富营养化现象。欲控制富营养化，必须限制氮、磷的排放^[6]。基于此，在过去几年中，越来越多的研究致力于设计和制备具有多功能特性的高级吸附材料，例如托贝莫来石。托贝莫来石是水化硅酸钙材料家族的重要矿物相，因其具有优良的多孔、隔热性能而被用作保温建筑材料^[7]。TOB具有比表面积大、多孔的属性，主要存在于蒸压加气混凝土中。而在生产蒸压加气混凝土过程中，切割产生的边角料成为废加气混凝土，这种材料具有成为吸附剂的潜质^[8]。目前已有研究表明，托贝莫来石在阳离子交换和核及危险废水处理方面具有很高的潜在应用^[9,10]。合成托贝莫来石和天然托贝莫来石在去除Cr⁶ 以外的所有重金属方面都非常有效，并且去除效果优于沸石^[11]。托贝莫来石具有一定的除磷效果，但其脱氮能力不足。本课题为了大幅度提高吸附性能，对托贝莫来石进行负载MgO改性。

1.1托贝莫来石

托贝莫来石（TOB）是一种层状结构、低密度的水合硅酸钙矿物且含有吸附水和结晶水，可通过添加纤维制成微孔结构^[12]，除此以外还具有良好的绝热保温性质，通常可用于制作保温材料，吸附材料^[13]。国内外学者对TOB的应用进行了大量研究，TOB因其较高的比表面积与较强的离子交换性能，在有机酸与重金属离子的吸附中有很好的表现，而负载了金属离子的TOB在多相催化领域也有较好的应用前景^[14]。新型托贝莫来石对挥发性有机化合物气体的吸附性能强，降低了材料的总挥发性有机化合物，并在阻燃材料中具有阻燃增效的作用^[15]。董阳^[16]研究发现水化硅酸钙除磷效果良好，即使在低浓度污水中也具有较强的吸附能力，优于其他材料。在24小时内常温无干扰时1g/L投加浓度的水化硅酸钙去除率达到99%。姜荟锦^[17]研究发现多孔硅酸钙除磷效果良好，处理后污水溶液的pH值与钙离子浓度均发生了大量提高，钙离子、磷酸根离子和氢氧根反应进一步生成羟基磷灰石沉淀，除磷效果高效且无污染。司麒石^[18]等人研究发现镁改性的水合硅酸钙复合材料成本低廉且除氮磷的能力较高。

1.2氧化镁

氧化镁作为一种无毒、经济、环保的材料，耐高低温性能强、抗腐蚀性能高、保温性能好、绝缘性能佳、具有缓冲性、吸附性和温和的碱性，由于其比表面积大、吸附能力强、活性高，与磷酸盐之间有特定的吸附作用，对磷酸根有很高的去除率，可通过化学沉淀法与NH₄ 反应得到磷酸铵镁沉淀，还可以吸附和去除纸浆废水中的重金属离子和藻类等。但是，单独使用氧化镁时，由于其比表面积小，不易分离，容易丢失，效果并不理想，所以一般选择在吸附剂上负载氧化镁，这样便可以充分发挥其优势^[19,20]。

1.3不同物质负载MgO

司麒石^[21]用氧化镁(MgO)包覆水化硅酸钙(CSH)制备新型核壳材料(CMCS)，以赤泥中的SiO₂制备CSH。CMCS通过化学沉淀同时去除氨氮(NH₄)和磷酸盐(PO₄^3-)，可实现氮磷的回收。范友华^[22]等人以油茶壳为碳源,氯化镁为活化剂，在500～700℃氮气气氛下制备了负载氧化镁的油茶壳基生物炭，得到了负载氧化镁的油茶壳生物炭。结果表明，负载金属氧化物的生物炭对重金属离子的吸附效果更好。周钱^[23]以蔗糖和镁为原料合成了MgO/碳，是一种高效的用于聚氯乙烯混合物(聚丙烯/聚氯乙烯)脱氯化氢的化学吸附剂。郝长红^[24,25]等人采用微波辐射的方法将氧化镁直接负载在天然沸石的内外表面，比以往改性方法简单且在同时处理含磷及氮磷的废水也有良好的效果。彭霞^[26]等人采用氯化镁和氢氧化钠原位沉淀反应制备了Mg(OH)₂改性硅藻土，并将其应用于同时去除污染水体中的营养物质。考察了吸附剂用量、溶液pH值、接触时间和共存物等不同吸附条件。并对吸附剂进行表征，发现鸟粪石结晶、物理吸附和静电吸引对去除过程有贡献。结果表明，该材料可以作为一种高效、环保的吸附剂同时去除营养物质。

根据上述综合研究，托贝莫来石具有许多优良的物理化学特性，如：比表面积大、吸附能力好等，虽然有一定的除磷效果，但其脱氮能力不足。氧化镁对磷酸根有很高的去除率，也可通过化学沉淀法与NH₄ 反应得到磷酸铵镁沉淀且环境友好。可以考虑将氧化镁负载到托贝莫来石表面，同时对氮磷进行吸附，可以高效应用于环境、建筑等领域，去除污水中的杂质，改善人类赖以生存的生活环境，具有很强的商业价值。

2.改性托贝莫来石的研究现状

根据上述综合研究，托贝莫来石由于其所具有的多种优良特性，科学家已经将其广泛应用于建筑、吸附、等多方领域，具有较强的研究价值。目前科学家采用不同的方法对托贝莫来石进行改性，以期优化托贝莫来石的实用价值。

陈莎^[27]采用动态水热合成法，通过系统优化工艺条件，制备结晶度较高的层状托贝莫来石晶体，考察不同硅源活性对托贝莫来石晶相组成、比表面积及孔结构性质的影响，优化制备出高比表面积介孔托贝莫来石催化剂。利用同晶置换原理，分别采用铝和磷对介孔托贝莫来石晶体进行掺杂改性，考察铝和磷掺杂对介孔托贝莫来石晶相组成、酸碱性、热稳定性等物化性质的影响。结果表明,不同铝源对合成产物晶相组成影响较大，且改性后介孔托贝莫来石催化剂在硫化氢甲醇法合成甲硫醇工艺中具有较强的催化性能，具有广阔的应用前景。潘珑^[28]等人利用高铝含量粉煤灰固废为原料，通过动态水热合成反应工艺制造的具有蜂窝状微孔结构并含有结构水特征的硅酸钙产品，实验结果表明，该材料具有质轻、高孔隙结构、高比表面积、低磨耗性、弱负电荷强度、强亲油亲水性的特点，还可用于塑料/橡胶的填充补强、吸附水中重金属离子及有机物等。且该材料对挥发性有机化合物气体的吸附性能强，是一种理想的VOCs吸附材料，可以降低材料的总挥发性有机化合物，并且在阻燃材料中具有阻燃增效的作用，在防雾滴膜中具有延长流滴失效时间的作用。

近年来，随着我国的工业发展和城市生活废水大量排放，化肥和农药过量施用导致的残留物流失等，都将引起氮、磷、有机物、重金属等污染物质在湖泊、河口及海湾等相对封闭、流速缓慢的水体中留存，这将严重损害和改变水生生态系统，导致生态环境的极度恶化，世界各地水体的富营养化现象逐年严重，使得生态系统失衡，因此同时去除氮磷是迫切的需求^[29]。而目前采用改性托贝莫来石用于去除氮、磷及重金属离子的研究较少。所以本研究预计主要从水体污染问题入手，选取托贝莫来石进行改性，初步探讨其对富营养化水体中氮、磷及重金属离子的去除效果。

3.本课题的研究价值

近年来，世界各地水体的富营养化现象逐年严重，使得生态系统失衡，尤其表现在经济发达的国家或地区，因此同时去除氮磷是迫切的需求。目前去除水中氮磷的方法主要有化学沉淀法、生物转化法以及离子交换法，本课题采用的是化学沉淀法形成鸟粪石沉淀去除氮磷。上文阐述了国内外研究出的不同负载氧化镁的方法，负载对象有沸石、活性炭等，而将其负载在托贝莫来石上还鲜有研究。此外，目前也有研究表明鸟粪石是一种缓释肥料，有助于提高作物生产力^[30]，具有一定的商业价值。同时鸟粪石也富含氮、磷等阻燃元素，且溶解度极低，不但可以用作肥料，更是理想的阻燃材料。因此本课题采用托贝莫来石为实验对象，预计采用不同的方法对托贝莫来石进行改性负载，并对不同方法改性后的托贝莫来石进行氨氮和总磷的静态吸附实验，根据氨氮和总磷的去除效率，同时对吸附氮磷饱和后的托贝莫来石进行静态吸附除重金属离子实验，确定最佳改性方法，使得改性的托贝莫来石在去除氮磷方面有更好的突破，以达到去除生活废水中氮磷和重金属的目的，可以预见其在高效的价值和广阔的前景。

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