金属氧化物纳米复合材料的制备及其去除水中氟的机理研究

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地下水中的高氟污染问题长期存在,并持续威胁着生态环境和人类健康,去除水中氟化物的研究工作显得尤为重要。在众多已有的去除水中氟的技术中,吸附法由于其效果好、成本低的特点,受到了广泛的关注。利用吸附法来处理水中氟的关键在于吸附材料的吸附效率及使用成本,而现有的常规吸附材料存在着吸附速率较慢、吸附容量低及使用成本较高的不足之处。纳米材料具有小尺寸的大比表面的特点,其表面原子配位不饱和导致大量表面官能团的存在而有着很高的化学活性。在表界面过程中,纳米吸附材料表现出高吸附亲和力和高吸附能力,应用纳米材料去除水中的有害物氟具有广阔的应用前景。通过优化的制备方法合成了三种纳米吸附材料,并系统地研究了它们对氟的吸附效果和吸附机理,主要研究内容如下:(1)采用水热法,经过对制备方法的优化,在Fe/Al摩尔比为3:1,温度为120℃反应12h的简单合成条件下制备一种铁铝层状双氢氧化物材料(Fe-Al LDH),并研究了该材料的除氟性能。对Fe-Al LDH的吸附动力学研究结果表明,吸附过程符合Langmuir模型。动力学数据符合拟二级动力学模型,除氟过程主要为化学吸附。pH影响的研究结果表明,该Fe-Al LDH在较宽pH范围内具有良好的氟吸附效果,在pH为510的较广范围内保持了70%以上的去除率。共存离子影响实验的研究说明了几种常见共存离子:Cl-、SO42-、NO3-、HCO3-和PO33-,这些离子均未对Fe-Al LDH除氟造成明显影响,说明该材料对氟具有较强的选择吸附性,这是由于其对氟的吸附主要基于其结构层间的碳酸根离子能与氟离子进行离子交换反应。(2)采用共沉淀法,在简单的制备工艺条件下合成了铁铝镍复合氧化物纳米材料(FAN),当Fe/Al/Ni的摩尔比为1:1:1,制得样品除氟吸附容量最高。在pH=7时,吸附过程符合Langmuir模型,通过Langmuir模型拟合计算得到最大理想吸附容量为79.3mg/g,相较于其他吸附剂具有一定的优势。在212的pH变化过程中,除氟效率由高变低,pH大于5小于8的环境对FAN脱氟更有利,强酸条件下生成的HF抑制了吸附反应,强碱条件下大量的OH-与F-形成了竞争效应。多种常见共存离子中高浓度的PO33-和HCO3-对FAN除氟有一定影响外,其他共存离子对其除氟几乎无影响,在干扰离子浓度数倍于氟离子浓度时,除氟效率仍保持在50%以上,说明其对氟离子具有较强的选择吸附作用。(3)延续FAN的吸附剂合成思路,以共沉淀法制备了具有纳米线状结构的铁铝锰复合金属氢氧化物(FAM)。等温吸附实验中,FAM对氟离子的吸附符合Langmuir模型,理想吸附容量为95.51mg/g。这种材料对氟有着较快的吸附速率,在吸附动力学的实验中,60min内即可达到吸附平衡,吸附过程主要分为浓度差引起的初始快速吸附阶段,和吸附位点饱和导致的后期缓慢吸附阶段,吸附过程符合拟二级动力学模型说明吸附反应实质上是不可逆的化学反应。FAM吸附氟有着较宽的pH适应范围,在pH=49的条件下氟去除率保持在70%以上。高浓度的PO33-和HCO3-对吸附氟会有一定影响,共存离子影响下除氟效率仍可达到75%。FAM主要吸附机理为:对氟离子的静电吸引作用和表面丰富羟基导致的离子交换反应。
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