[发明专利]一种可用于去除天然水体低浓度磷的复合材料制备方法及一体化应用装置

说明书

本发明提供一种可用于去除天然水体低浓度磷的复合材料制备方法及一体化应用装置，制备方法包括：将市售硫铝酸盐水泥经粉碎、筛分得到水泥颗粒，水泥颗粒和水混合发生部分水化反应生成C‑S‑H凝胶硫铝酸盐水泥；市售生物炭经粉碎、筛分后与锁磷剂混合均匀，再加入C‑S‑H凝胶硫铝酸盐水泥，加水充分搅拌30min得到复合材料。一体化应用装置可智能控制完成复合材料的自动制备与投加，通过高速水流带动水体呈逆时针旋转，促进水泥的水化过程及除磷效果；利用高速水流及反冲提高复合材料的沉降效率，并智能实现絮体沉降过程监测控制及絮液分离。本发明可去除天然水体中的低浓度磷，材料稳定性强、回收简便、可实现资源化循环利用。

技术领域

本发明涉及环境功能材料及废弃物资源化利用领域，尤其涉及一种可用于去除天然水体低浓度磷的复合材料制备方法及一体化应用装置。

背景技术

水体富营养化引起的水环境问题已成为全球关注的热点问题，与其相关的环境问题多样，潜在危害大，而水体中的过量磷正是造成水体富营养化的重要原因之一。2021年的《中国生态环境状况公报》指出，全国地表水国考断面中仅84.9％的水质断面达到Ⅲ类及以上水质标准，主要污染指标中就包括总磷。研究表明，即使水体中的磷浓度较低也依然可能导致水体富营养化，引起水体富营养化的磷酸盐最低边际浓度为0.02mg/L，总磷浓度为0.05～0.10mg/L。

目前，常用的除磷方法主要有生物法、化学法和物理化学法。这些方法常被用于城镇污水处理厂中处理生活污水或工业废水中的高浓度磷，其主要依托不同工艺对高浓度磷污水进行脱氮除磷。然而，即使经处理过的污水达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》的A类标准(总磷浓度≤0.5mg/L)，排出的污水也极易造成湖、库等半封闭或封闭水体低浓度磷污染，继而导致水体富营养化。现有的天然水体除磷方式大多通过使用特定的微生物及水生植物构建生态湿地、生态塘库等系统来实现水体除磷，但其使用场景有一定的局限性，且其去除天然水体中的低浓度磷所需时间久，除磷效果不理想。

在众多除磷材料中，稀土镧因其对磷酸盐具有特异性而被广泛运用于复合吸附剂中用以增强去除磷酸盐，因此也衍生出多种镧改性材料，研究者们熟知的锁磷剂(Phoslock)即为镧改性膨润土(LMB)。但镧改性材料一般只与可溶性的磷酸盐反应，难以去除颗粒态磷。此外，在镧与磷酸盐发生应生成镧-磷酸盐复合物的同时，材料中的镧可能会存在释放，从而造成水体污染，并不适合单独用于天然水体中去除低浓度磷。

因此，制备一种原料便宜易得、制备流程简单、使用便捷、便于回收、不对水环境造成二次污染、能快速安全去除天然水体中的低浓度磷材料，对及时控制天然水体低浓度磷污染风险意义重大。

中国专利申请CN 110586029A公开了一种盐改性硅酸盐水泥除磷吸附剂、吸附剂的制备方法、吸附剂的再生方法及用途。通过盐改性的硅酸盐水泥可用于吸附除磷，但并不适用于低浓度磷的去除，同时，该吸附剂投入天然水体后并不能实现吸附剂回收，会对水体造成二次污染。除硅酸盐水泥外，硫铝酸盐水泥发生水化反应后产生的絮体对低浓度磷的去除效果较好，但在水含量增多的情况下，絮体结构强度下降明显，硅氧链骨架层间距增大，层间粘聚力减弱，材料变形后所含的金属元素会释放至环境中，因此并不适合直接运用于天然水体中。

中国专利申请CN 110548490A公开了一种可回收的镧改性磁性膨润土除磷材料的制备方法。该材料具有可磁性回收、可重复利用等优点，但其制备过程是在碱性条件下完成的，当pH过高时，镧与磷酸盐的结合能力显著下降，因此该材料可能并不适用于去除低浓度磷。此外，通常将锁磷剂(即镧改性磁性膨润土)制备成悬液(锁磷剂:水质量比约为10:1)后喷洒于水面，使其在自降过程中与磷酸盐结合，但由于其沉降缓慢，这个过程耗时较长，常常造成水体浑浊，对浮游动物、底栖动物、鱼类等水生生物的生命活动造成一定影响。因此，如何使其在具有除磷功能的同时，兼具快速絮凝沉降的能力是目前亟待解决的问题。