Institutional Repository of Key Laboratory of Marine Ecology & Environmental Sciences, CAS
尿素合铁改性粘土的制备方法、除藻效果及其可应用性分析 | |
张博闻 | |
学位类型 | 硕士 |
导师 | 曹西华 |
2024-05-16 | |
学位授予单位 | 中国科学院大学 |
学位授予地点 | 中国科学院海洋研究所 |
学位名称 | 资源与环境硕士 |
关键词 | 赤潮治理 功能性改性粘土 尿素合铁 制备方法 金属有机骨架 |
摘要 | 改性粘土法(Modified clay, MC)是一种科学有效防控赤潮灾害的应急处置方法,其具有成本低、除藻高效、安全环保等优势,是目前唯一能够大规模现场应用的方法。然而,随着赤潮灾害综合治理要求的提升,不仅需要进一步提升改性粘土的除藻效率,还需要对伴随出现的氮磷富营养化污染因子等予以有效消除。现有的改性粘土虽具有一定的营养盐消除能力,但在实际应用中仍面临效率偏低、用量偏高等问题。因此,亟待开发既能高效除藻,又能净化水体的功能性改性粘土新材料。尿素合铁(Ferric carbamide complex, FC)是以铁离子为中心、含氨基的尿素(CH4N2O)为有机配体的一种Fe-MOFs化合物,具有高效的吸附、螯合等能力,为其在除藻领域的应用奠定基础。本研究提出了一种以FC为改性剂制备改性粘土材料,综合提升其除藻、净水等能力的功能性赤潮治理材料制备方法。实验考察了影响新方法制备尿素合铁改性粘土(Ferric carbamide complex-modified clay, FCK)的因素,分析了不同因素影响FCK除藻性能的作用途径,通过对比实验筛选了最佳制备方法,并基于单因素分析法和正交试验法确定了方法中不同影响因素间的最佳组合条件,对新方法制备改性粘土的除藻净水性能进行了实验评估,发现尿素合铁改性粘土在高效除藻的同时对水体中活性磷酸盐有良好消除效果,并降低水体浊度。主要研究结果如下: (1)尿素合铁改性是一种有效提升粘土除藻效率的制备方法。实验对比了原位表面合成法与预制掺混合成法获得FCK的除藻率,发现原位表面合成法为优选方案。综合利用单因素分析法和正交试验法分析了制备过程中的材料配比、反应条件对获得FCK除藻效率的影响,发现多因素均会影响获得改性粘土的除藻效率。基于赤潮治理材料最少用量、最大除藻效率、最小环境影响的筛选原则,获得最佳材料配比为尿素与铁离子比例RU-Fe=1:1.1、尿素合铁与粘土比例RF-K=1:1,最佳反应条件为反应温度30℃、硝酸铁溶液滴加速度1mL/min、熟化时间1h。最佳方案合成FCK在用量为0.2g/L时,对赤潮异弯藻的去除效率超过90%。进而实验考察了改性粘土的投加量和处理时间、赤潮生物的种类以及赤潮生物密度等对FCK除藻效率的影响,发现在投加量为0.2g/L处理时间≥3h时,对不同赤潮密度的赤潮异弯藻均有90%以上的去除率。且对赤潮异弯藻、东海原甲藻、微绿球藻均具有良好的应用效果。 (2)FCK通过多种机制复合实现增效除藻效果。借助扫描电镜、Zeta电位仪以及激光粒度仪观察了改性粘土的表面特征,利用XRD、XRF、FT-IR和TG-DSC分析了FCK的材料组成,利用Zeta电位仪、FT-IR及PIV分析了FCK的絮凝行为,综合材料的化学基础和絮凝行为,探究了FCK增效除藻的作用机制。第一,从材料形态与组成上可以证实FC对粘土有效改性:尿素通过羰基氧与Fe3+结合形成FC后,通过C-N和N-H键与高岭土结合,形成FCK复合物;电镜显微下FCK的表面形貌明显变得粗糙且有颗粒物附着;Zeta电位数据显示与高岭土相比FCK表面电位明显提升,XRD、XRF表明FCK层间距增大、表面官能团改变。基于改性粘土理论可以推断, FC改性会增强粘土与藻细胞之间的絮凝结合能力。第二,FCK的絮凝行为有明显改善:FCK除藻过程的Zeta电位随投加量和时间的增加而增加; FCK除藻过程中产生C-O或C-N新峰,为增效除藻提供化学基础;FCK除藻时会迅速形成大粒径絮体,因此,FCK表现出增效除藻能力。第三,综合材料化学基础与絮凝行为,分析FCK除藻增效的机制为:1)提升电中和作用能力增效除藻,这主要归功于FC和FCK外部结构的大量活性氨基赋予的明显电中和能力,可在短时间内絮凝藻细胞提升除藻效率;2)提升化学作用能力增效除藻,由于粘土颗粒表面的官能团发生变化,使得FCK可通过产生化学键提升絮凝除藻能力;3)提升卷扫网捕作用能力增效除藻,这主要得益于颗粒粒度的改变和表面粗糙程度的增加,使得除藻絮体粒径增大,能包裹并沉降更多藻细胞,从而提升除藻效果。 (3)尿素合铁改性粘土具有较好的活性磷酸盐去除性能,且对水质影响较小。首先借助紫外分光光度计测定了改性粘土的活性磷酸盐去除性能;然后利用浊度仪、pH计和ICP-MS表征了FCK 对水质的影响。第一,基于类同除藻材料制备方法的筛选原则,对服务于最佳活性磷酸盐去除能力的合成方案进行了实验筛选,发现服务于除藻和磷消除的FCK最佳制备方法和材料配比相同,但二者在最佳反应条件上有一定差异。服务于溶解态活性磷酸盐去除目标FCK的最佳反应条件为反应温度50℃、硝酸铁滴加速度1mL/min、熟化时间2h。此条件下FCK在用量≥0.2g/L时,水体中的磷浓度可以降至0.01 mg/L以下。第二,实验考察了最佳除藻配方下,FCK在除藻过程中对水体浊度的影响,发现在用量为0.2g/L时,其浊度约为未改性粘土的1/5;另外考察了FCK除藻过程对水体铁离子浓度和水体pH的影响,在用量0.2g/L进行除藻作用后,水体中的残余铁浓度均低于0.3mg/L;以用量0.2g/L除藻后pH变化率<0.37%,对水环境影响较小。 |
其他摘要 | The Modified Clay (MC) Method is a scientific and effective emergency response method for the prevention and control of red tide blooms. It has advantages such as low cost, efficient algae removal, safety and environmental protection, and is currently the only method that can be applied on a large scale in the field. However, with the increasing requirements for comprehensive management of red tide disasters, it is necessary not only to further improve the algae removal efficiency of modified clay, but also to effectively eliminate the accompanying nitrogen and phosphorus eutrophication pollutants. Although the existing modified clay has a certain ability to remove nutrients, it still faces problems such as low efficiency and high dosage in practical applications. Therefore, it is urgent to develop new functional modified clay materials that can efficiently remove algae and purify water bodies. Ferric carbamide complex (FC) is an Fe based Metal-organic frameworks (Fe-MOFs) compound with iron ions as the centre and amino-containing urea (CH4N2O) as the organic ligand. It has efficient adsorption and chelation abilities, which is the basis for its application in the field of algae removal. This study proposes a functional red tide control material preparation scheme that uses FC as a modifier to prepare modified clay materials and comprehensively enhance their capabilities in algae removal and water purification. The factors affecting the preparation of ferric carbamide complex modified clay (FCK) using a new method were experimentally investigated, and the pathways through which different factors affect the algae removal performance of FCK were analyzed. A comparative experimental approach was employed to identify the optimal preparation plan. This was followed by a single factor analysis and orthogonal experiment to determine the optimal combination conditions among different influencing factors in the method. The efficacy of the modified clay prepared by the new method in removing algae and purifying water was experimentally evaluated. It was demonstrated that urea carbamide-modified clay has a beneficial impact on the removal of active phosphates from water, while simultaneously exhibiting effective algae removal and a reduction in water turbidity. The principal findings of the research are as follows:
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学科门类 | 工学::环境科学与工程(可授工学、理学、农学学位) |
语种 | 中文 |
目录 | 第1章 绪论 1 1.1 赤潮危害及防治方法 1 1.1.1 赤潮的成因 1 1.1.2 赤潮的危害 2 1.1.3 赤潮的治理方法 3 1.2 改性粘土治理赤潮方法概述 5 1.2.1 改性粘土治理赤潮理论模型的构建和演变 5 1.2.2 改性粘土研发进展 6 1.2.3 改性粘土治理赤潮的机制 8 1.3 金属有机骨架材料(metal-organic frameworks, MOFs)概述 10 1.3.1 MOFs材料简介 10 1.3.2 MOFs材料的合成方法 11 1.3.3 铁基MOFs材料的优势 12 1.4 研究目标及研究内容 12 1.4.1 研究目标 13 1.4.2 研究内容 13 1.4.3 技术路线图 14 第2章 尿素合铁改性粘土的合成方案构建 15 2.1 前言 15 2.2 实验材料和方法 16 2.2.1 实验药品与试剂 16 2.2.2 实验材料准备 16 2.2.3 实验方法 18 2.3 实验结果与分析 19 2.3.1 制备方法的确定 19 2.3.2 材料配比的确定 20 2.3.3 反应条件的确定 21 2.3.4 应用效果分析 23 2.4 小结 26 第3章 尿素合铁改性粘土的除藻作用机制分析 27 3.1 前言 27 3.2 实验材料与方法 27 3.2.1 实验药品与试剂 27 3.2.2 实验材料准备 29 3.2.1 实验方法 30 3.3 实验结果与分析 31 3.3.1 尿素合铁改性粘土的表面特征 31 3.3.2 尿素合铁改性粘土的材料组成 34 3.3.3 尿素合铁改性粘土的絮凝行为 38 3.4 小结 43 第4章 尿素合铁改性粘土的可应用性分析 45 4.1 前言 45 4.2 实验材料与方法 45 4.2.1 实验药品与试剂 45 4.2.2 实验材料准备 46 4.2.3 实验方法 47 4.3 实验结果与分析 48 4.3.1 除磷效果 48 4.3.2 对水质的影响 53 4.4 小结 55 第5章 总结与展望 57 5.1 获得的主要结果 57 5.2 创新点 57 5.3 不足与展望 57 参考文献 59 致 谢 71 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果 73 |
文献类型 | 学位论文 |
条目标识符 | http://ir.qdio.ac.cn/handle/337002/185275 |
专题 | 海洋生态与环境科学重点实验室 |
推荐引用方式 GB/T 7714 | 张博闻. 尿素合铁改性粘土的制备方法、除藻效果及其可应用性分析[D]. 中国科学院海洋研究所. 中国科学院大学,2024. |
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文件名称/大小 | 文献类型 | 版本类型 | 开放类型 | 使用许可 | ||
张博闻-2021E8006885011-(8513KB) | 学位论文 | 限制开放 | CC BY-NC-SA | 浏览 |
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