镧改性废弃动物骨粉复合材料对地下水中F-的去除及机理研究

摘要

地下水中的氟化物污染会导致某些疾病，过量摄取氟化物会引起牙齿和骨骼类疾病。世界卫生组织严格规定饮用水中所允许的最高氟含量为1.5mg/L。由于简易性和选择性，吸附法已被认为是一种较有前景的除氟技术。但是，目前世界范围内地下水中氟污染问题的严重性导致对高效吸附剂的需求迫切增加。
　　镧是一种广泛使用的对氟具有高亲和力的稀土金属之一。同时，废弃骨料垃圾的任意填埋会对环境造成严重的污染。为了实现骨头废物回收利用并提高其除氟效率，本研究合成了一种镧改性废弃动物骨粉(LBW)复合材料并进行了批实验研究以期实现地下水中氟离子的高效去除。主要结论如下:
　　(1)通过SEM、BET、XRD、FTIR和XPS等检测方法对LBW复合材料进行表征分析。SEM及BET测试发现镧改性废弃动物骨粉后会增加骨粉的多孔结构，增大其表面积。XRD测试证明了LBW复合材料中La2O3和La(OH)3晶体的存在，并且微量的La就已经会对氟离子有较好的亲和力。FTIR光谱证明了LBW上有大量-OH官能团，这些官能团会与氟离子发生离子交换从而达到除氟的效果。O1s和La3d的高分辨XPS谱图显示，氟离子吸附后，羟基(-OH)含量减少，La3d峰向高结合能侧移动。
　　(2)LBW复合材料具有较高的零点电位，当pH=11.4时，其表面电位为零。当溶液初始pH值在2.5-10的范围时，LBW复合材料对溶液的pH值具有良好的缓冲性能;几种常见的共存含氧阴离子在0-100mg/L范围内对F-去除几乎没有任何不利影响，复合材料LBW可进行再生后多次循环利用。
　　(3)本研究中氟离子吸附反应是典型的化学吸附过程，该过程遵循PSO及F-L PSO动力学模型。FVER模型证明吸附剂在氟离子吸附初期具有较大的平衡表面覆盖度。等温线研究发现该反应更符合Langmuir等温吸附模型，表明LBW吸附剂去除氟离子的过程是结构均匀表面上的单层吸附反应。
　　(4)本研究中氟离子被吸附的过程主要是通过LBW吸附剂表面带有的正电通过静电吸附作用和F-与OH-之间的离子交换作用实现的。
　　本研究采用生活中的多孔含钙废弃动物骨料进行简单的预处理后作为载体，廉价易得，并且降低了生物质废料对环境造成的二次污染，实现了资源化的再利用。首次利用多价稀土金属镧进行负载改性，在保持镧较高表面活性的同时，提高了废弃动物骨粉的吸附量，复合材料具有协同效应，且富含羟基、羰基等官能团，使改性骨粉的吸附能力得到有效提升，为地下水中氟污染的实际工程应用提供一种有前景的方法。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 地下水中氟污染的概述

1．1．1 地下水中氟污染的来源及现状

1．1．2 地下水中氟污染的危害与标准

1．2 氟污染的处理方法及研究进展

1．2．1 沉淀法

1．2．2 电凝聚法

1．2．3 膜分离法

1．3 课题的提出及其研究意义

1．3．1 废弃骨料的资源化利用

1．3．2 镧改性吸附剂的优势

1．4 主要内容及技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究技术路线

1．5 本章小结

第2章 镧改性废弃动物骨粉的制备及表征

2．1．1 主要仪器及试剂

2．1．2 骨粉的预处理

2．1．3 镧改性废弃动物骨粉的制备

2．1．4 检测方法

2．2 镧改性废弃动物骨粉的表征方法

2．2．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．2．2 比表面积孔径分布分析仪(BET)

2．2．3 X射线衍射(XRD)

2．3 镧改性废弃动物骨粉制备过程中的影响因素研究

2．3．1 煅烧温度对骨粉除氟性能的影响

2．3．2 氯化钠浓度对镧载骨粉除氟性能的影响

2．3．3 镧浓度的影响

2．3．4 制备过程溶液pH值的影响

2．4 镧改性废弃动物骨粉表征结果与讨论

2．4．1 扫描电子显微镜(SEM)结果分析

2．4．2 比表面积孔径分布(BET)结果分析

2．4．3 X射线衍射(XRD)结果分析

2．5 本章小结

第3章 镧改性废弃动物骨粉去除水中氟离子

3．1 实验材料与方法

3．1．1 实验试剂与仪器

3．1．2 实验方法

3．2 镧改性废弃动物骨粉去除水中氟离子的影响因素

3．2．1 镧改性废弃动物骨粉投加量

3．2．2 污染液初始pH值

3．2．3 共存含氧阴离子

3．2．4 镧改性废弃动物骨粉的脱附与再生

3．3 结果与讨论

3．3．1 镧改性废弃动物骨粉投加量对去除效果的影响

3．3．2 污染液初始pH值对去除效果的影响

3．3．3 共存含氧阴离子对去除效果的影响

3．3．4 镧改性废弃动物骨粉的脱附与再生

3．3．5 实际氟污染地下水净化研究

3．4 本章小结

第4章 镧改性废弃动物骨粉的除氟机理

4．1 实验材料与方法

4．1．1 实验试剂与仪器

4．1．2 实验方法

4．2 结果与讨论

4．2．1 吸附等温线研究

4．2．2 吸附动力学研究

4．3 反应前后表征分析

4．3．1 红外光谱(FT-IR)结果分析

4．3．2 X射线光电子能谱(XPS)结果分析

4．4 除氟机理

4．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果