论文部分内容阅读
我国有7000多万人通过饮用水途径暴露于氟，其中3000多万人表现出氟斑牙等氟中毒症状。饮用水除氟是我国当前饮用水安全保障面临的重要难题。铝盐可与氟发生强烈的络合作用，而铝氧化物、铝氢氧化物对氟有优势去除能力，因此以铝盐或铝氧化物（或铝氢氧化物）为基础的混凝剂、吸附剂大量应用于饮用水除氟中。然而，铝盐混凝或铝氧化物吸附除氟过程中将产生大量的含氟的污泥污泥或含氟氧化铝。如果未对其进行有效处置可能对土壤、地下水和水环境产生不利影响。同时，在饮用水除氟过程中，由于氟平衡浓度较低(1 mg/L)，仍有大量活性位点未充分利用即进行吸附剂再生或沉淀去除污泥，而产生的废弃含氟污泥或吸附剂具备资源化综合利用的可行性。因此，如果对除氟水厂产生的废弃含氟污泥或吸附剂进行资源化综合利用，这不仅有利于降低除氟成本，且可在一定程度上避免含氟污泥或吸附剂随意排放而导致的环境污染问题。另一方面，水环境重金属污染仍是我国重要的环境问题，而采用高效、安全、低廉的水处理材料以及操作简单的水处理方法是水体重金属污染综合防治的重要方向。围绕上述问题，本论文对比研究了铝盐吸附除氟污泥(Al(OH)3-Fads）、混凝除氟污泥(Al(OH)3-Fcoag）和氢氧化铝(Al(OH)3)三种吸附剂对阳离子型Cd(Ⅱ)、非离子型As(Ⅲ)和阴离子型As(Ⅴ)等三类典型重金属的吸附行为，并对其吸附机理进行了探讨。 研究显示，Al(OH)3-Fads、 Al(OH)3-Fcoag对Cd(Ⅱ)的吸附可在200 min内达到平衡，且准二级动力学模型能很好地描述其对Cd(Ⅱ)的吸附动力学过程;Langmuir模型可很好地描述Al(OH)3-Fads，、Al(OH)3-Fcoag对Cd(Ⅱ)的等温吸附结果，计算而得的最大吸附容量分别达到24.39 mg/g和19.90 mg/g。Al(OH)3-Fads与Al(OH)3-Fcoag对Cd(Ⅱ)的吸附量随pH升高而增加;在酸性条件下，增大离子强度促进Cd(Ⅱ)的吸附;在中性和碱性条件下，离子强度升高反而抑制Cd(Ⅱ)的吸附。Al(OH)3-Fads与Al(OH)3-Fcoag比不含氟的Al(OH)3对Cd(Ⅱ)的吸附速率慢且吸附容量低，说明氟的引入在一定程度上抑制了对Cd(Ⅱ)的吸附。Al(OH)3-Fads与Al(OH)3-Fcoag吸附Cd(Ⅱ)主要包括离子交换、表面络合、表面微沉淀和静电引力四种机制。Al(OH)3-Fads与Al(OH)3-Fcoag应用于吸附除Cd(Ⅱ)过程中，尽管存在氟的溶出，但氟溶出量有限且浓度在工业废水排放标准以下(＜10 mg/L)。Al(OH)3-Fads和Al(OH)3-Fcoag作为处理重金属废水的吸附剂是可行的。 研究发现，Al(OH)3-Fads与Al(OH)3-Fcoag对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附动力学均符合准二级动力学模型，而Langmuir模型可较好地描述两种形态砷的吸附行为。进一步由Langmuir模型计算得出Al(OH)3-Fads和Al(OH)3-Fcoag对As(Ⅲ)的最大吸附容量分别为47.92和30.99 mg/g，对As(Ⅴ)的最大吸附容量分别为83.99和56.29 mg/g;与单纯Al(OH)3相比，对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附容量降低了25-50％。XPS与FTIR等表征手段显示，去除As(Ⅲ)的主要机理为物理吸附和形成As(Ⅲ)-O络合;Al(OH)3-Fads去除As(Ⅴ)主要依靠表面氟离子和H2AsO4-和HAsO42-的离子交换作用，而Al(OH)3-Fcoag去除As(Ⅴ)主要依靠固体表面和As(Ⅴ)形成As-O络合。Al(OH)3-Fads和Al(OH)3-Fcoag吸附As(Ⅲ)和As(Ⅴ)后释放到溶液中的氟离子最大浓度均低于工业废水排放标准，因此Al(OH)3-Fads与Al(OH)3-Fcoag可作为去除As(Ⅲ)/As(Ⅴ)的吸附剂。 进一步研究探索了Al(OH)3-Fads与Al(OH)3-Fcoag制备为颗粒化吸附剂的可行性。考虑到吸附剂造粒过程中往往需要进行热处理，因此进一步将Al(OH)3-Fads、 Al(OH)3-Fcoag和Al(OH)3在200℃、600℃和900℃下进行热处理，获得不同温度下的Al(OH)3-Fads、Al(OH)3-Fcoag和Al(OH)3作为吸附剂。结果表明，随着热处理温度的升高，Al(OH)3-Fads、Al(OH)3-Fcoag和Al(OH)3的比表面积减小，表面零电位时的pH值降低。XRD和FTIR分析显示，在加热到600℃时，Al(OH)3-Fads、Al(OH)3-Fcoag和Al(OH)3开始有Al2O3形成;在加热到900℃时，Al(OH)3-Fads和Al(OH)3-Fcoag有AlF3形成。研究发现，Al(OH)3-Fads、Al(OH)3-Fcoag和Al(OH)3对Cd(Ⅱ)的吸附容量随热处理温度升高而增加，这主要是由于吸附剂表面零电荷点下降所致;三种材料对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附容量随热处理温度的升高而减小，这与吸附剂比表面积下降有关。Al(OH)3-Fads、Al(OH)3-Fcoag和Al(OH)3对Cd(Ⅱ)的吸附容量随pH的升高而增加，而对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附容量随pH的升高而降低。 上述研究显示，Al(OH)3-Fads与Al(OH)3-Fcoag可有效吸附去除阳离子型、非离子型、阴离子型等重金属，且对阴离子型As(Ⅴ)的吸附容量最高;两种含氟污泥可经简单脱水、风干后作为吸附剂，也可作为颗粒化吸附剂的原料经干燥、造粒等工艺制备成商品化吸附剂。