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除磷剂对水体中磷的化学还原、吸附及氧化效果研究

发布日期：2025年6月13日点击：326

水体富营养化是全球性的环境问题，而磷是导致富营养化的关键限制性因素之一。除磷剂通过化学还原、吸附和氧化等作用，能有效降低水体中的磷含量。本文综述了不同种类除磷剂（如铁盐、铝盐、钙盐、镧系化合物及新型复合材料）的作用机制，探讨了其在污水处理、湖泊修复及工业废水处理中的应用效果，并分析了影响除磷效率的关键因素（如pH、温度、共存离子等）。最后，对未来除磷剂的发展趋势进行了展望，以期为水体磷污染治理提供理论依据和技术参考。

关键词：除磷剂；化学还原；吸附；氧化；富营养化

1. 引言

磷是生物体必需的营养元素，但过量磷进入水体会导致藻类大量繁殖，引发水体富营养化，破坏生态平衡。目前，除磷技术主要包括生物法、化学法和物理法，其中化学法因操作简便、效率高而被广泛应用。除磷剂通过化学沉淀、吸附、氧化还原等作用去除水体中的磷，其效果受药剂种类、水体环境条件等因素影响。本文重点探讨除磷剂对磷的化学还原、吸附及氧化作用机制，并分析其在实际应用中的优化策略。

2. 除磷剂的种类及作用机制

2.1 化学还原除磷

化学还原法主要用于去除高价态磷（如正磷酸盐），通过还原剂将高价磷转化为低价态或难溶性沉淀。常见的还原性除磷剂包括：

亚铁盐（Fe²⁺）：在酸性条件下，Fe²⁺可将部分磷酸盐还原为亚磷酸盐，同时生成Fe₃(PO₄)₂沉淀。
零价铁（Fe⁰）：具有强还原性，可通过电子转移将PO₄³⁻转化为不溶性磷酸铁，并吸附去除。

2.2 吸附除磷

吸附法依赖除磷剂表面的活性位点与磷酸根离子的结合作用，主要包括：

金属氧化物（如Fe₂O₃、Al₂O₃）：通过配位交换吸附磷酸盐。
镧系化合物（如La₂O₃、La(OH)₃）：对磷酸根具有高选择性吸附能力。
生物炭及改性材料：通过表面官能团（如—OH、—COOH）增强吸附性能。

2.3 氧化除磷

氧化法主要用于降解有机磷（如农药、洗涤剂中的磷），常见氧化剂包括：

过硫酸盐（PS, PMS）：在活化条件下产生强氧化性自由基（SO₄⁻·、·OH），分解有机磷为无机磷酸盐，再通过沉淀去除。
臭氧（O₃）：直接氧化有机磷，并促进混凝沉淀。

3. 影响除磷效果的关键因素

3.1 pH值

铁盐、铝盐：最佳pH范围为5.0~6.5，酸性过强会导致金属离子溶解，碱性过强则生成氢氧化物胶体，降低沉淀效率。
钙盐：适宜pH>9，形成羟基磷灰石（Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂）。
镧系除磷剂：在宽pH范围（4~10）内均有效。

3.2 温度

温度升高通常促进化学反应速率，但过高温度（>40℃）可能破坏吸附剂结构。

3.3 共存离子

阴离子（Cl⁻、SO₄²⁻）：竞争吸附位点，降低除磷效率。
有机物（腐殖酸）：可能包裹活性位点，抑制吸附。

4. 应用案例及效果分析

4.1 污水处理厂除磷

铝盐（如PAC）：投加量20~50 mg/L时，除磷率可达90%以上。
铁盐（如FeCl₃）：成本低，但易导致出水色度增加。

4.2 湖泊修复

镧改性膨润土（Phoslock®）：长期控磷效果显著，已在美国、中国等多个湖泊应用。

4.3 工业废水处理

电镀废水：采用Fe⁰+H₂O₂体系，结合还原与氧化作用，总磷去除率>95%。

5. 未来发展趋势

多功能复合材料：如Fe-Mn氧化物/生物炭，兼具吸附与催化氧化能力。
绿色除磷剂：基于天然矿物或废弃物（如赤泥、贝壳）的开发。
智能控释技术：缓释型除磷剂，延长作用时间。

6. 结论

除磷剂通过化学还原、吸附和氧化等多种途径高效去除水体中的磷，其效果受pH、温度、水质等因素影响。未来应进一步优化材料性能，发展低成本、环境友好的除磷技术，以应对日益严峻的水体磷污染问题。

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