CREST | 浙江大学刘德钊/温州大学孙博团队：吸附法去除和回收废水中的膦酸盐

导读

 

浙江大学刘德钊研究员课题组联合温州大学孙博博士在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表了题为“吸附法去除和回收废水中的膦酸盐（Removal and recovery of phosphonates from wastewater via adsorption; DOI: 10.1080/10643389.2022.2115271; Published online: 12 Sep 2022）”的综述。
废水中的膦酸盐是一种重要的资源，但其排放可能会导致富营养化，造成严重的环境问题。因此，从废水中去除和回收膦酸盐对于磷可持续发展至关重要。吸附法作为低浓度膦酸盐资源利用的一种具有成本效益的技术，为可持续的污水处理做出了重要贡献。本综述从经济可行的吸附技术、pH值和金属离子对吸附性能的影响以及表征和化学计算技术在膦酸盐去除机制中的作用三个层面出发，总结梳理和分析比较了现有膦酸盐去除机制，以期为该领域的未来研究提供有价值的见解。此外，各种现代表征工具增强了对膦酸盐去除机制的研究，因此，推荐在未来通过表征手段和化学计算技术来探索膦酸盐的去除和吸附机制。

图1 图文摘要

主要内容

吸附法除磷具有易实施、效率高和可重复利用的优点，吸附剂的选择需要同时具有低成本、环境友好、在实践中具有经济可行性的特点。吸附通常用于去除废水中的磷酸盐，也有通过吸附去除膦酸盐的研究，或者通过前处理（如高级氧化法）将膦酸盐转化为磷酸盐后再进行吸附，但会导致处理成本增加。吸附行为取决于应用吸附剂的表面特性和结构建筑，不同的吸附剂类型通常被分为两类：一种是天然吸附剂，如废水污泥、椰壳炭、活性炭、土壤等；另一种类型是合成吸附剂，这些合成吸附剂对农业和环境具有一定的积极或消极影响。粉煤灰或改性农业废弃物/副产品吸附剂通常表现出较高的吸附能力，但可回收性差，可能是应用有限的原因。

图2 基于修改和小型化版ISO 6878模式（ISO_mini），使用粒状氢氧化铁测定磷酸盐吸附量的优化程序

金属和膦酸盐可以同步吸附并形成表面配合物，例如膦酸盐-Ca。这种机制在较低的pH值下是有利于吸附的，吸附不会改变膦酸盐的结构，所以可以将吸附的膦酸盐再利用，因此通过吸附去除膦酸盐是一种有较好前景的解决方案。需要注意的是，pH值是影响吸附剂表面电荷变化和吸附剂电离水平的重要因素，当溶液pH大于吸附剂的零电荷点时，吸附剂对膦酸盐的吸附性能通常会下降。然而，包括像反渗透浓液等其废水pH值通常约为7.0至8.0，所以不同pH下吸附性能的稳定是非常重要的。研究表明，随着pH值的增加，六种膦酸盐（NTMP、EDTMP、DTPMP、HEDP、PBTC和HPAA）的在颗粒状氢氧化铁上的吸附性能均有所下降（图3）。此外，吸附亲和力随着分子质量和PG（膦酸酯基团）的增加而减少。同时值得注意的是，较大分子的膦酸盐的吸附通常会占据巨大的吸附点位。

图3 pH和膦酸盐性质对颗粒状氢氧化铁GFH的吸附能力的影响

表征技术（FTIR、XRD、TGA、BET和XPS）和化学计算技术（DFT、MDS、IGM和基于Hirshfeld表面Multiwfn波函数分析等）在膦酸盐的去除机理中起着重要作用，用于解析结构、成分和许多其他方面，如磁性、物理、电和化学行为（例如，图4）。因此，表征技术的发展有助于解释吸附剂与膦酸盐的作用机理。通过化学计算技术来研究磷酸盐的去除和吸附机制是迫切需要的，未来会有更多相关的研究探索。

图4 (a) 粘土矿物的XRD图案；(b)粘土矿物的FTIR光谱；(c, d) Mt和Kaol矿物的平衡后快照；(e) 膦酸在沸石上的可能结合模式：(I) 去质子化的单齿；(II) 质子化的单齿；(IIIa) 单核；(IIIa)单核双齿；(IIIb)双核双齿。

总结与展望

膦酸盐的生产消耗和其从废水中排放对环境富营养化的影响使得其回收利用具有重要意义，磷酸盐在自然水体中以颗粒和溶解磷的形式存在，也存在于污水处理厂、工业废水、城市污水和河流中。因此，在未来应该更加关注用吸附剂去除和回收磷酸盐的问题。本综述的总结可使我们能更好地了解低成本吸附法去除和回收废水中膦酸盐的研究进展，及吸附过程中影响吸附性能的各种因素。然而，目前在该领域的研究还远远不够，建议今后应更加注重利用吸附法去除和回收膦酸盐时对膦酸盐的解吸进行系统性研究，并利用表征技术和化学计算技术探究膦酸盐的吸附和解吸机理，以及长期使用的潜力和可能性。

作者简介

第一作者简介：

Rubina Altaf，浙江大学农业生物环境与能源工程专业博士生，研究方向为废水资源化，博士期间主要围绕镧锆-四氧化三铁磁性吸附剂去除废水中有机磷酸盐研究开展研究工作。

通讯作者简介：

刘德钊，浙江大学生物系统工程与食品科学学院研究员、博士生导师，国家高层次人才计划项目入选者，浙江大学“百人计划”引进人才。近年来的研究兴趣包括环境异味和恶臭治理、废水及废弃物优化处理和资源化利用新技术及生物环境工程新技术与装备研发等，曾任IWA（国际水协会）恶臭与挥发性排放物质专家组执行主席（2017~2022）。目前已在环境工程、化学工程、大气环境、农业工程等相关领域国际著名杂志和会议上发表论文70余篇，主持或主参国家自然科学基金及科技部重点研发计划项目课题10余项。

孙博，工学博士，就职于温州大学生命环境科学学院，近年来致力于全氟/多氟烷基有物质的环境赋存转化特征和降解去除技术研究。

|供稿：浙江大学刘德钊课题组

|编排：曾镜羽

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