稀土负载粉煤灰吸附剂的制备及其对地下水中氟的去除研究

摘要

地下水含氟高是导致地方性氟中毒的主要原因。我国地下水含氟高的省份主要分布在内蒙古、山西、甘肃等地区，尤其是内蒙古地区，幅员辽阔，含有丰富的矿产资源，在使用和开采的过程中，造成了不同程度的氟污染。我囝规定饮用水中氟的浓度为低于1.0mg/L。针对地下水的氟污染，吸附法是一种经济有效的方法。为开发我区的稀土资源及固体废物粉煤灰的综合利用，实现以废治废，本文中，研制了一种新型的吸附剂——稀土负载粉煤灰吸附剂，用于地下水除氟。全文的研究主要包括四个部分：
　　 第一部分，研究了铈负载粉煤灰吸附剂的制备过程及条件。通过试验，得到了制备该吸附剂的步骤：清沈—筛分—酸改性—浸渍—过滤—焙烧—研磨。考察了酸改性剂浓度、浸渍液pH值、铈离子浓度、焙烧温度和振荡反应时间等条件对吸附剂除氟效率的影响。结果表明：在pH为8～10，接触反应时间为16h，焙烧温度为400℃，铈离子浓度为0.2g/L，改性酸浓度为6mol/L时得到的吸附剂，显示了较强的除氟能力。
　　 第二部分，研究了吸附剂除氟的吸附条件及性能。影响吸附剂吸附条件的主要因素有吸附质的初始浓度、投加量、溶液pH值、振荡反应时间、共存离子的干扰等，通过试验确定了最佳吸附条件。盐度和硬度对吸附剂除氟过程没有影响。溶液中存在的砷酸根和磷酸根，与氟离子在吸附剂的吸附位上存在强烈的竞争吸附。在相同条件下，对比了原状粉煤灰、酸改性粉煤灰和稀土负载粉煤灰吸附剂和活性炭的除氟效率，稀土负载粉煤灰吸附剂的除氟效率达到了94%，而活性炭的去除效率只有36%。
　　 第三部分，主要进行了吸附剂除氟的热力学、动力学、柱吸附研究、解析实验以及溶出实验研究。结果显示，吸附剂的吸附能力随温度的升高而增大。Langmuir等温式拟合得到的理论平衡吸附量更接近于试验结果，线性相关系数也明显好于Freundlich等温式。吸附剂除氟的动力学行为可用Lagergren二级速率方程描述。经计算得到了热力学函数△G°，△H°和△S°的值。在柱吸附研究中，运用Thomas模型和Yoon-Nelson模型预测了本实验的穿透曲线，并得到了其柱吸附量分别为40.47mg/g，40.33mg/g。在进行解析试验的过程中，达到95%的解析量所需要的时间为30min。通过吸附剂的溶出试验，研究了Pb2+、Cr6+、Cd2+和Cu2+在水中的溶出量。溶出液(在中性条件下)中Pb2+、Cr6+的含量低于仪器的检测限，Cd2+、Cu2+分别为0.00655 mg/L和0.56243 mg/L，远低于国家饮用水标准限值。因此，该吸附剂用于地下水除氟是安全的。
　　 第四部分，通过对稀土负载粉煤灰吸附剂的扫描电镜、能谱、XRD、比表面积以及表面电荷的测定等手段的表征与分析，对吸附剂的除氟机理进行了初步探讨。吸附剂对氟离子的吸附过程可能符合表面络合模式，即吸附剂表面存在水合金属氧化物，形成了金属羟基基团，再与溶液中的氟离子发生离子交换作用或表面配合反应，以达到除氟的目的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 前言

1.1 粉煤灰概述

1.2 粉煤灰在水处理方面的应用现状

1.2.1 城市生活污水处理

1.2.2 有机废水处理

1.2.3 印染废水处理

1.2.4 含重金属废水处理

1.3 粉煤灰的改性处理方法

1.3.1. 酸改性

1.3.2 碱改性

1.3.3 盐改性

1.4 稀土材料在水处理中的应用

1.5 含氟水的处理方法

1.6 本课题的研究内容及意义

第二章 稀土负载粉煤灰吸附剂的制备

2.1 实验仪器及试剂

2.2 实验方法

2.2.1 稀土负载粉煤灰吸附剂的制备

2.2.2 测氟试验

2.3 结果与讨论

2.3.1. 不同改性酸浓度对吸附剂性能的影响

2.3.2 不同铈离子浓度对吸附剂性能的影响

2.3.3 不同焙烧温度对吸附剂性能的影响

2.3.4 负载铈的不同时间对吸附剂性能的影响

2.4 本章小结

第三章 稀土负载粉煤灰吸附剂的吸附条件及性能研究

3.1. 吸附条件的影响

3.1.1 投加量对吸附剂效率的影响

3.1.2 振荡时间对吸附剂效率的影响

3.1.3 pH值对吸附剂效率的影响

3.1.4 氟化物初始浓度对吸附剂效率的影响

3.2 共存离子的影响

3.2.1 盐度的影响

3.2.2 硬度的影响

3.2.3 磷酸根离子的影响

3.2.4 砷酸根离子的影响

3.3 稀土负载粉煤灰吸附剂与其它吸附剂吸附性能的比较

3.4 本章小结

第四章 吸附过程研究

4.1 吸附热力学研究

4.1.1 吸附热力学理论

4.1.2 稀土负载粉煤灰吸附剂吸附氟离子的吸附等温线

4.2 吸附动力学研究

4.2.1 吸附动力学理论

4.2.2 不同温度下稀土粉煤灰吸附剂吸附氟离子的动力学曲线

4.4.3 吸附过程中的△H°、△G°及△S°的计算

4.3 柱吸附研究

4.3.1 应用Thomas模型拟合

4.3.2 应用Yoon and Nelson model拟合

4.4 吸附剂解析实验研究

4.5 吸附剂中的重金属溶出研究

4.5.1 实验仪器及试剂

4.5.2 浸出方法及原子吸收的条件

4.5.3 结果与讨论

4.6 本章小结

第五章 稀土负载粉煤灰吸附剂的表征及吸附机理初探

5.1形貌分析

5.2能谱分析

5.3 XRD物相分析

5.4红外图

5.5比表面积测定

5.6吸附剂表面电荷测定

5.7吸附机理初探

结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文