改性活性氧化铝去除饮用水中氟化物的效能研究

摘要

氟是维持身体各项生理机能正常运转所必需的微量元素之一，适量的氟可以有效促进硬组织骨骼和牙齿的钙化，但摄入量过高则会引起氟中毒。人体所需的氟主要来自饮水，长期饮用高氟水可患氟骨病，轻者诱发氟斑牙，重者导致四肢变形，以致瘫痪，危及生命。因此，经济合理、应用成熟的吸附除氟法越来越受到重视。活性氧化铝(Activated Alumina，AA)是吸附法中大量使用的一种除氟剂，但其吸附容量较低，使用寿命较短，再生后除氟效果不佳，限制了其进一步推广。本文研究了改性活性氧化铝（Modified Activated Alumina，MAA）的制备，静态和动态吸附性能，解吸-活化再生方法，并借助表征手段探讨其除氟机理。
　　本研究采用浸渍-焙烧法分别对活性炭、沸石和活性氧化铝进行载镧(La)、载镁(Mg)和载镧-镁(La-Mg)改性，进行除氟性能评价。结果表明La-Mg-AA的除氟效果最好。通过静态和动态试验考察La-Mg-AA的吸附性能。静态试验研究MAA的反应时间、投加量、初始pH值、震荡频率和共存阴离子等因素对除氟性能的影响;动态试验研究进水浓度、进水流速和滤料高度等因素对除氟性能的影响。静态试验结果表明：最佳吸附条件为:吸附时间120 min，投加量2.0g/L、初始pH值7.0±0.2、震荡频率180 r/min，MAA对10 mg/L高氟水的去除率达97.7％。MAA的最大饱和吸附量为8.56 mg/g，是AA的2.0倍。含氟水溶液中其它共存阴离子对MAA除氟性能的影响力大小为:CO2-3＞SO4-2＞CI-＞ NO-3。MAA对F-的吸附符合准二级动力学模型，吸附等温线对Langmuir模型拟合度较高，该反应为吸热反应，可自发进行，温度越高自发程度越大。MAA对F-吸附速率不仅受到液膜扩散的影响，还受到粒子内扩散的控制，液膜扩散占据主导作用。动态试验结果表明:MAA对F-的动态吸附性能对Thomas模型拟合度较高，动态饱和吸附量为2.99 mg/g，是AA的1.24倍。穿透时间和吸附饱和时间受进水浓度、进水流速和滤料高度的影响较大。其它条件一定时，进水浓度越高，进水流速越快，滤料高度越低，穿透时间和吸附饱和时间越短。本试验使用NaOH溶液和H2SO4溶液对吸附饱和的MAA进行解吸-活化再生处理。试验研究NaOH溶液浓度、解吸时间对脱附率的影响，考察静态和动态再生循环次数对MAA再生性能的影响。结果表明:0.25 mol/L的NaOH溶液解吸6.0 h，1％的H2SO4溶液活化1.0 h后，静态再生循环四次或动态再生循环三次，除氟性能基本不受影响，再生效果好。采用扫描电镜、X-射线衍射、红外光谱分析等测试方法，对改性前后的AA进行表征。结果表明:MAA较AA除氟性能显著提高，说明负载的镧和镁起到了关键性作用。MAA对F-的吸附主要以静电吸附和离子交换为主。载镧-镁活性氧化铝吸附容量大，使用周期长，再生后吸附量恢复较好，具有良好的应用前景。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 含氟地下水的来源及危害

1．1．1 氟化物性质

1．1．2 水体中氟化物的来源

1．1．3 氟化物对人体的影响

1．1．4 含氟水地区分布

1．2 水体中氟化物的处理方法

1．2．1 沉淀法

1．2．2 混凝法

1．2．3 电凝法

1．2．4 膜法

1．2．5 吸附法

1．3 活性氧化铝在含氟水处理中的应用

1．4 稀土元素在含氟水处理中的应用

1．5 镁盐在含氟水处理中的应用

1．6 课题研究的意义

1．7 研究内容和技术路线

1．7．1 研究内容

1．7．2 技术路线

第二章 实验设计与分析方法

2．1 实验试剂与仪器

2．2 实验设计

2．2．1 改性吸附剂的筛选

2．2．2 改性活性氧化铝的制备

2．2．3 静态吸附实验

2．2．4 动态吸附实验

2．2．5 吸附再生实验

2．2．6 氟化物测定方法

2．3 表征方法

2．3．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．3．2 X射线衍射分析(XRD)

2．3．3 傅里叶变换红外光谱分析(FT-IR)

2．3．4 BET分析

2．3．5 电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)

第三章 实验结果与讨论

3．1 改性吸附剂的筛选

3．2 静态实验阶段

3．2．1 改性前后活性氧化铝除氟效果对比

3．2．2 投加量对除氟效果的影响

3．2．3 初始PH值对除氟效果的影响

3．2．4 震荡频率对除氟效果的影响

3．2．5 共存阴离子对除氟效果的影响

3．2．6 吸附动力学

3．2．7 吸附等温线

3．2．8 吸附热力学

3．2．9 小结

3．3 动态实验阶段

3．3．1 AA和MAA动态除氟性能对比

3．3．2 进水浓度对除氟性能的影响

3．3．3 进水流速对除氟性能的影响

3．3．4 滤料高度对除氟性能的影响

3．3．5 小结

3．4 吸附再生

3．4．1 解吸液浓度对脱附率的影响

3．4．2 解吸时间对脱附率的影响

3．4．3 小结

第四章 表征结果分析及机理探讨

4．1 表征结果分析

4．1．1 SEM分析

4．1．2 XRD分析

4．1．3 FT-IR分析

4．1．4 BET分析

4．1．5 ICP-OES分析

4．2 机理探讨

第五章 结论与建议

5．1 结论

5．2 存在的问题及建议

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文