硫铁矿改性玻璃轻石脱氮除磷材料及制备方法和应用

技术领域

本发明涉及污水处理材料领域，具体涉及硫铁矿改性玻璃轻石脱氮除磷材料的制备及应用方法。

背景技术

广泛使用以废玻璃为原料的玻璃轻石，其质轻、多孔、强度较高、无毒无害，并兼具“渗、滞、蓄、净、用、排”的功能，是非常理想的海绵城市建设材料。诸如此类以废玻璃为原料的玻璃轻石主要以滤料形式应用于水处理领域，主要是通过过滤和吸附作用，降低水中的悬浮物和其他杂质。《一种用于水处理的玻璃轻石过滤器》(CN213221100)即以玻璃轻石为滤料，经过玻璃轻石吸附和过滤后，水中悬浮物和氨氮得到了有效的降低。此外，有专利《一种具有除磷功能的玻璃轻石及其制备方法》(CN114105473A)提出了一种以玻璃粉末和三氧化二铁为原料制成的具有除磷功能的玻璃轻石，相较于普通的玻璃轻石具有更快速的除磷效果。由此可见，以废玻璃为原料的玻璃轻石材料在水处理领域具有巨大的应用潜能。

自养反硝化由于无需外加碳源，运行成本较低，操作简单，越来越受到重视。硫铁矿是自然界丰富的天然矿物资源，研究证明以硫铁矿为填料构建的生物滤池可以有效的去除废水中的氮和磷。但由于天然硫铁矿表面活性点位少，比表面积小，密度大等问题，越来越多研究基于硫铁矿制备改性填料，实践证明硫铁矿改性填料相较于天然硫铁矿具有更高的氮磷去除效率。

综上，本发明意在利用废玻璃和硫铁矿为原料制备改性玻璃轻石脱氮除磷材料，一方面将废玻璃进行二次利用，充分发挥玻璃轻石的质轻多孔的优点，另一方面改善天然硫铁矿密度大、比表面积小的不足，制成具有脱氮除磷功能的材料，扩大玻璃轻石在水处理方面的应用。

目前有关改性玻璃轻石材料的研究，主要是制成质轻多孔的玻璃轻石材料，应用于海绵城市的蓄水和市政污水处理中的滤料，主要去除废水中的悬浮物和吸附杂质，处理效率低且应用途径比较局限。

发明内容

本发明是针对上述存在的技术问题提供硫铁矿改性玻璃轻石脱氮除磷材料及制备方法和应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种硫铁矿改性玻璃轻石脱氮除磷材料的制备方法，该方法的步骤如下：

步骤一：将废玻璃、硫铁矿、钙镁碳酸盐按照粒径100～150μm进行研磨和筛选分离；

步骤二：将步骤一中的原料混合均匀后送入加热炉中进行烧结；其中：废玻璃、硫铁矿、钙镁碳酸盐的质量比为80～90：2～10：2～10；

步骤三：步骤二中烧结后的材料中加入质量比为1％～5％的硫铁矿粉末并一起放入管式炉中焙烧，焙烧结束后冷却至室温；

步骤四：将硫代硫酸钠粉末加入水中超声分散均匀，得到硫代硫酸钠溶液；

步骤五：将步骤三中得到的材料置于硫代硫酸钠溶液中，再次超声处理，之后过滤备用；

步骤六：将步骤五所得材料置于烘箱中烘干，之后放入管式炉焙烧，最后冷却至室温即可得到目标产品。

本发明技术方案中：步骤二烧结的过程如下：

①原料进入温度为550～650℃的预热区，预热时间为5～10分钟；

②预热后的原料进入700～800℃的升温区，升温时间为15～25分钟；

③升温后的原料进入850～900℃的熔融区，熔融时间为15～30分钟；

④熔融状态的原料进入950～1200℃的烧结区，烧结时间为5～10分钟；

⑤冷却，将④烧结而成的玻璃轻石冷却至室温。

本发明技术方案中：步骤三中硫铁矿粉末的粒径为100～150μm。

本发明技术方案中：步骤三的焙烧气氛为氮气，N

本发明技术方案中：步骤四中，硫代硫酸钠溶液的质量浓度为1～2％，超声的条件为：超声频率20～40kHz，超声的时间为15～30min。

本发明技术方案中：步骤五中，超声处理的条件为：超声频率为40～50kHz，超声的时间为4～6h。

本发明技术方案中：步骤六中，干燥的温度为95～105℃，时间为1～2h；焙烧在气氛为氮气，N

一种硫铁矿改性玻璃轻石脱氮除磷材料，该材料采用上述的方法制得。

本发明技术方案中：上述硫铁矿改性玻璃轻石脱氮除磷材料在水处理方面的应用。进一步的，所述的应用为过滤剂、吸附剂或脱氮除磷剂。

本发明的有益效果：

1、本发明利用多孔玻璃轻石作为骨架材料提升脱氮除磷效果，相较传统的多孔材料，更利于反应传质、污染物的富集，由可将负载的多孔玻璃轻石填料作为流化床床反应器的填料，具备应用前景。

2、本发明制得的材料由于添加了硫铁矿和硫磺，相较于普通玻璃轻石材料，除了过滤和吸附作用以外兼具脱氮除磷的功能，在水处理领域的应用途径更为广泛。

3、本发明制得的材料制备方法简单，原材料价廉易得，用作水处理填料，不易板结，可重复使用，有效降低了污染物处理的成本，且不含有毒有害物质，不会产生潜在的环境污染。

附图说明

附图1为实施例1所制得材料进出水总氮效果图；

附图2为实施例1所制得材料进出水总磷效果图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：

实施例1

步骤一将废玻璃、硫铁矿、钙镁碳酸盐按照粒径100～150μm进行研磨和筛选分离；

步骤二将废玻璃、硫铁矿、钙镁碳酸盐按照质量比90：8：2混合均匀后送入加热炉中进行烧结，首先原料进入温度为580℃的预热区，预热时间为7分钟；预热后的原料进入750℃的升温区，升温时间为20分钟；升温后的原料进入860℃的熔融区，熔融时间为20分钟；熔融状态的原料进入1000℃的烧结区，烧结时间为8分钟；最后，将烧结而成的玻璃轻石冷却至室温。

步骤三将步骤二中烧结的材料加入质量比为4％的硫铁矿粉末(100～150μm)，设定管式炉在100℃，N

步骤四：配置硫代硫酸钠溶液，硫代硫酸钠溶液的质量浓度为1％；设定超声频率30kHz，超声混合15min。

步骤五设定超声仪频率为50kHz，超声浸渍4h后，拿出过滤，沥水备用。

步骤六将步骤五所得材料置于烘箱中设定温度101℃烘干2h，再放入管式炉中在145℃，N

实施例2

步骤一将废玻璃、硫铁矿、钙镁碳酸盐按照粒径100～150μm进行研磨和筛选分离；

步骤二将废玻璃、硫铁矿、钙镁碳酸盐按照质量比80：10：10混合均匀后送入加热炉中进行烧结，首先原料进入温度为560℃的预热区，预热时间为5分钟；预热后的原料进入720℃的升温区，升温时间为15分钟；升温后的原料进入850℃的熔融区，熔融时间为15分钟；熔融状态的原料进入960℃的烧结区，烧结时间为5分钟；最后，将烧结而成的玻璃轻石冷却至室温。

步骤三将步骤二中烧结的材料加入质量比为5％的硫铁矿粉末(100～150μm)，设定管式炉在80℃，N

步骤四：配置硫代硫酸钠溶液，硫代硫酸钠溶液的质量浓度为2％；设定超声频率30kHz，超声混合30min。

步骤五设定超声仪频率为50kHz，超声浸渍6h后，拿出过滤，沥水备用。

步骤六将步骤五所得材料置于烘箱中设定温度101℃烘干2h，再放入管式炉中在140℃，N

应用例1

以实施例1中制得的硫铁矿改性玻璃轻石脱氮除磷材料对实验室模拟废水进行处理，设置水力停留时间为2h，监测出水水质的TN、TP。经过30天的监测，总氮出水浓度<5mg/L，去除率在65％以上；总磷出水浓度<0.2mg/L，去除率在60％以上，具体数据如图1～2所示。