活性炭负载铝吸附去除水中氟离子的研究

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氟是人体内非常重要的微量元素之一,氟化物以氟离子的形式广泛地分布于自然界之中。氟是牙齿及骨骼不可缺少的成分,少量的氟可以起到促进、加强牙齿珐琅质对细菌酸性腐蚀的抵抗力的作用,能够很好的防止龋齿,坚固骨骼。但是对于氟过多的吸收对动植物和人类产生的危害,已远远超过了氟的不足对人体健康的影响,摄入量过多会导致“氟中毒”,即氟骨病、氟斑牙。严重者甚至会导致急性氟中毒,造成心脏或呼吸系统功能衰竭而死亡。在中国有很多地区的地下水甚至是饮用水的氟含量都是超标的,特别是在北方的广大较为落后的地区的高氟水污染,对人畜造成的危害十分严重。吸附法除氟应用最为广泛,其效率较高、出水稳定、工艺流程简单操作方便、经济实惠等优点。吸附剂性能是影响吸附过程的一个关键因素,研究经济、高效的吸附剂成为人们不断追求的目标。本文针对传统氧化铝吸附去除氟存在的吸附容量不够高、比重大的问题,结合活性炭高比表面积、发达孔隙结构、质轻等特点,将活性炭浸渍在氯化铝溶液中,干燥、煅烧制得载铝活性炭作为本次研究的吸附剂。通过批实验研究了载铝活性炭吸附去除水中氟离子的动力学规律、等温吸附特征,考察了初始pH、负载条件、共存离子以及操作条件等对氟离子吸附影响的特点和规律,并结合X射线光电子能谱对表面元素的分析,孔结构分析对吸附过程机理进行了探讨。主要得到以下结论:①制备载铝活性炭的最佳条件是:预处理硝酸浓度为1%,铝离子浓度0.3mol/L,煅烧温度为300℃;②载铝活性炭基于Al2O3的吸附容量比活性Al2O3吸附容量高的多,通过活性炭负载铝吸附去除水中氟离子,铝的潜力得到了更大的发挥;在平衡浓度1mg/L时,对于载铝活性炭,Freundlich等温吸附模型拟合结果显示:单位当量氧化铝的氟离子吸附容量是单一活性Al2O3吸附容量的40多倍;③载铝活性炭对氟离子的吸附遵循二级反应动力学模型dC/dt=-k(C-Ce)2,吸附速率正比于体系氟离子浓度与平衡浓度之差的平方,在初始负离子浓度为5-20mg.L-1时,反应速率常数为0.1095-0.2555L/(h.mg)-1。等温吸附服从Langmuir模型,饱和吸附容量与负载铝量之间存在较好的线性关系;④溶液过低或过高的pH对载铝活性炭吸附水中氟离子都有不利影响,载铝活性炭饱和吸附容量达到最大值时的pH=8;相比于Freundlich模型,pH对吸附过程的影响更适合用Langmuir等温吸附模型进行描述;⑤共存离子对载铝活性炭的氟离子吸附有着一定的影响,盐浓度增加其吸附性能降低,但降低的幅度越来越小;离子强度对载铝活性炭的氟离子吸附影响不是很突出,静电力在吸附过程中发挥的作用较为有限;⑥载Al活性炭吸附剂表面丰富的化学组成,使不同条件下可能发挥作用的因素更为丰富。表面Al形态的非单一性,可能对F吸附起着重要影响。
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