水体中过量的磷是导致富营养化的主要元凶,而磷本身又是不可再生的战略性矿产资源。从工业废水中吸附回收磷,具有环境与经济的双重意义。然而,传统吸附法的瓶颈在于吸附剂再生。使用强碱或强酸溶液洗脱吸附的磷,不仅消耗大量化学品,产生高盐再生废液,而且再生液中的磷浓度仍然较低,后续回收困难。电化学再生,通过向吸附饱和的吸附剂施加电场,利用界面pH的剧烈变化,将吸附的磷酸根离子无化学药剂地解吸下来,是一种极其诱人的绿色再生方案。
本研究首先以大宗工业固废煤矸石为硅铝源,通过碱熔-水热晶化法,合成了低成本的NaA型沸石分子筛。为了增强其对水中磷酸根阴离子的吸附能力,进一步采用镧盐浸渍-焙烧法对沸石进行了表面改性,负载了对磷有强亲和力的水合氧化镧纳米颗粒。改性后的分子筛(La-Z)对磷的吸附容量达到45mg P/g,是未改性沸石的15倍,且在含有高浓度SO₄²⁻和Cl⁻的竞争背景下展现了优异的选择性。将La-Z填充于一个可通电的吸附柱中,处理含磷5mg/L的模拟工业废水。当吸附穿透后,切换为电化学再生模式。
在吸附柱两端施加直流电场,以沸石填充床作为阴极。电解水在阴极产生大量OH⁻,导致吸附剂孔道内局部pH急剧升高至12以上。在这种强碱性微环境中,磷酸根与镧活性位点的络合被破坏,磷酸根被OH⁻置换,高效解吸至循环的少量再生液中。实验结果显示,在优化电场强度(5V/cm)下,该电化学再生法对La-Z上磷酸根的脱附效率超过85%,再生液中磷的浓度是原废水的25倍以上(>125mg/L),非常适合作为鸟粪石(MgNH₄PO₄·6H₂O)结晶法回收磷的原料。
经过8个“吸附-电化学再生”循环,La-Z的吸附容量保持率在90%以上。整个再生过程仅消耗电能(每再生1kg La-Z约耗电0.5kWh),不使用任何酸、碱、盐化学试剂,真正实现了吸附剂的绿色再生和磷的同步浓缩。该研究为工业废水中磷的高效去除与资源化回收,提供了一整套集“固废材料化利用-高效吸附-清洁再生-磷浓缩”于一体的闭环技术方案。