改性活性氧化铝除氟性能与pH缓冲机理研究

摘要

水体氟污染被公认为全球严重的污染之一，在众多的除氟方法当中，活性氧化铝吸附法的应用较为广泛，在具有成本低、来源广等优点的同时，还存在吸附容量低的缺点，所以对其进行改性是近年来的研究热点之一，但目前只能通过大量吸附试验分析其改性效果。本文从表面化学性质出发，对吸附性能与pH缓冲强度进行研究，首次从pH缓冲强度的角度判定改性效果的好坏。
　　本试验采用金属盐溶液(Fe2(SO4)3、Ce(NO3)3溶液）浸渍活性氧化铝的方法制备了改性吸附剂。首先，通过间歇吸附实验对除氟性能进行研究，通过酸碱滴定实验对pH缓冲强度进行分析。其次，根据吸附等温模型、动力学模型拟合，以及pHzpc、BET、EDS等表征实验共同探究改性吸附剂的除氟机理与pH缓冲机理。通过酸碱滴定实验分析了其pH缓冲能力及强度，最后由吸附数据和pH缓冲数据分析pH缓冲强度与吸附性能的关系。
　　对未改性活性氧化铝的研究表明，吸附等温实验数据发现更符合Langmuir吸附等温模型，最大吸附量为9.03mg/g，主要发生的是单分子层的化学吸附，吸附动力学相比准一级吸附速率方程更符合准二级吸附速率方程;活性氧化铝的零质子电荷点pHzpc约为8.9，说明其表面具有酸碱两重性;酸碱滴定实验发现活性氧化铝具有一定的pH缓冲能力，数据经线性拟合后可求出活性氧化铝的pH缓冲强度β为0.127mmol/g。
　　对于改性盐溶液浓度为0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％、3.0％的两种改性吸附剂，吸附数据经等温线模型拟合后更符合Langmuir吸附等温模型，经动力学方程拟合后，吸附行为符合准二级动力学，均能说明吸附过程以化学吸附为主。饱和吸附量随着改性液浓度的增大而先增大后趋于不变，硫酸铁和硝酸铈改性活性氧化铝的最佳改性浓度分别为3.0％和2.0％，最大吸附量分别为16.90mg/g和17.58mg/g。硫酸铁改性吸附剂(0.5％～3.0％)的pH缓冲强度β分别为0.225、0.318、0.357、0.374、0.399和0.400mmol/g，硝酸铈改性吸附剂(0.5％～3.0％)的pH缓冲强度β分别为0.227、0.324、0.407、0.437、0.439和0.433mmol/g。随着改性浓度的增大，pH缓冲强度先逐渐增大，而后趋于不变。改性吸附剂粉末的pHzpc均随改性液浓度的增大而逐渐减小，这是表面负载金属离子增多的结果。BET分析发现，改性浓度越大，改性吸附剂的比表面积越小。EDS分析证明金属盐能很好地负载在活性氧化铝表面。
　　改性后吸附剂的吸附能力以及pH缓冲能力均增强，是因为改性后表面存在的金属离子增多，导致吸附剂的酸性位点数量增多，并且存在的阴离子增强了吸附剂的离子交换能力，可吸附更多的F-或OH。通过数据分析发现pH缓冲强度与吸附性能呈正相关，因此可以从pH缓冲强度的角度预测改性效果的好坏，进而判定吸附性能的好坏。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 水体氟污染的形成及危害

1．1．2 水体中氟污染的危害

1．1．3 水体氟污染治理必要性

1．2 活性氧化铝水体除氟相关研究及其表面化学性质

1．2．1 活性氧化铝除氟研究

1．2．2 改性活性氧化铝除氟研究

1．2．3 活性氧化铝表面化学性质

1．3 吸附相关理论

1．3．1 吸附等温线模型

1．3．2 吸附动力学

1．4 吸附除氟作用机理

1．4．1 范德华力

1．4．2 离子交换

1．4．3 氢键

1．4．4 配体交换

1．4．5 吸附剂表面的化学改性

1．5 吸附除氟的外在影响因素

1．5．1 水体pH

1．5．2 干扰阴离子的存在

1．5．3 温度

1．5．4 氟离子初始浓度

1．6 本论文选题的意义及研究内容

1．6．1 意义及背景

1．6．2 研究内容

第二章 未改性活性氧化铝除氟性能与pH缓冲机理研究

2．1 试验所需试剂、仪器

2．1．1 试验所需试剂

2．1．2 试验所需仪器

2．2 试验方法

2．2．1 活性氧化铝预处理

2．2．2 间歇性吸附试验

2．2．3 氟浓度的测定

2．2．4 吸附量的计算

2．2．5 酸碱滴定法研究活性氧化铝的pH缓冲性能

2．2．6 零质子电荷点pHzpc测定

2．3 结果与讨论

2．3．1 除氟吸附等温线

2．3．2 除氟吸附动力学

2．3．3 活性氧化铝粉末的pH缓冲强度

2．3．4 活性氧化铝pHzpc测试结果

2．3．5 pH缓冲机理与吸附机理分析

2．4 本章小结

第三章 硫酸铁改性活性氧化铝除氟性能与pH缓冲机理研究

3．1 试验所需试剂、仪器

3．1．1 试验所需试剂

3．1．2 试验所需仪器

3．2 试验方法

3．2．1 硫酸铁改性活性氧化铝的制备

3．2．2 改性吸附剂间歇吸附试验

3．2．3 硫酸铁改性吸附剂pHzpc的测定

3．2．4 酸碱滴定法研究改性吸附剂的pH缓冲性能

3．2．5 表征实验

3．3 结果与讨论

3．3．1 硫酸铁改性吸附剂吸附等温线

3．3．2 硫酸铁改性吸附剂吸附动力学

3．3．3 硫酸铁改性吸附剂的pH缓冲强度

3．3．4 硫酸铁改性吸附剂pHzpc测试结果

3．3．5 硫酸铁改性吸附剂BET分析结果

3．3．6 硫酸铁改性吸附剂EDS分析结果

3．3．7 pH缓冲强度与吸附性能关系分析

3．4 本章小结

第四章 硝酸铈改性活性氧化铝除氟性能与pH缓冲机理研究

4．1 试验所需试剂、仪器

4．2 试验方法

4．2．1 硝酸铈改性活性氧化铝的制备

4．2．2 改性吸附剂间歇吸附试验

4．2．3 硝酸铈改性吸附剂pHzpc测定

4．2．4 酸碱滴定法研究改性吸附剂的pH缓冲性能

4．2．5 表征实验

4．3 结果与讨论

4．3．1 硝酸铈改性吸附剂吸附等温线

4．3．2 硝酸铈改性吸附剂吸附动力学

4．3．3 硝酸铈改性吸附剂的pH缓冲强度

4．3．4 硝酸铈改性吸附剂pHzpc测试结果

4．3．5 硝酸铈改性吸附剂BET分析结果

4．3．6 硝酸铈改性吸附剂EDS分析结果

4．3．7 pH缓冲强度与吸附性能关系分析

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者简介及导师简介