新型纳米材料的制备及其除氟性能研究

发布时间：2020-09-07 14:32

　　 由于地下水中的氟离子浓度超标对人体的健康造成极大伤害,世界上数百万人因为氟中毒而痛苦难当。新疆部分地区也存在地下水氟含量超标的问题,严重影响当地居民的安全用水。在各种除氟的技术中,由于吸附法的成本低,操作简捷而广泛使用。然而传统的吸附剂受pH干扰较多,吸附容量低等问题极大地减少了除氟效率。针对地下水中过量的氟离子的去除问题刻不容缓,同时研究出效率高,成本低的除氟吸附剂对去除地下水中超标的氟离子具有重大意义。基于以上诸多问题,本文旨在探索纳米材料的制备并于模拟水中除去氟化物。探究在复杂的模拟水环境中纳米材料的除氟作用,此外对其除氟机制进行探究。本论文具体的研究结果如下:(1)通过湿浸渍法制备了介孔氧化钙空心球(Mesoporous Hollow CaO Spheres,MHS-CaO),并对模拟水中的氟离子进行了吸附研究。对MHS-CaO的构成与表面形貌及其对F~-的去除作用进行了探究,考察了不同投加量、反应时间、pH的情况下对吸附效率的影响,并且对MHS-CaO的除氟机理进行了重点考察。批量实验结果表明,在pH为3-11的范围内最佳反应pH值为3,MHS-CaO吸附氟离子的过程符合Langmuir与拟二级动力学模型,具有很高的氟离子吸附量,拟合得出的最大吸附容量(q_m)为181.96 mg/g。并且该吸附氟离子的反应主要由多个步骤决定,热力学实验证实该反应过程为自发吸热的。共存离子干扰实验数据显示,三种不同浓度的干扰阴离子的存在对模拟水中MHS-CaO去除氟化物的效果几无负面作用,除氟率均在90%以上。由MHS-CaO对氟离子的吸附机理可知,MHS-CaO在水中生成Ca(OH)_2,通过与F~-发生离子交换产生CaF_2来去除过量的氟化物。(2)成功获得改性纳米材料,即生物炭负载纳米零价铁(Biochar-Loaded Nano Zero-Valent Iron,BC-nZVI),并对模拟水中的F~-进行了吸附作用的研究。对BC-nZVI的组成与表面形貌及其除氟性能进行了探索,探究了不同投加量、反应时间、pH的情况下对除氟效率的影响,并且对BC-nZVI的除氟机理进行了重点考察。批量实验结果表明,在pH为5-10的范围内最佳反应pH值为6,BC-nZVI吸附氟离子的过程合乎Langmuir模型与拟二级动力学模型,具有较高的氟离子吸附量,拟合得出的最大吸附容量(q_m)为56.82 mg/g。并且吸附氟离子的反应主要由多个步骤决定,热力学研究表明该吸附过程是自发吸热反应。对BC-nZVI去除氟离子的吸附机理探究可知,BC-nZVI的零价铁在水中经与氧气反应生成水合氧化铁,该水合氧化铁上的OH~-和氟离子产生离子交换,生成沉淀从而去除溶液中的氟离子。(3)对MHS-CaO和BC-nZVI两种吸附材料串联,进行除氟的连续流实验。通过对进水流量,温度及pH三个因素对该连续流装置进行了考察,实验结果表明,当进水流量为25.8 mL/h,温度25℃,pH为8时,最终出水的F~-浓度最小(为1 mg/L以下),可以达到安全饮用水标准。吸附剂MHS-CaO和BC-nZVI对含氟水的去除均有优异效果,与传统的除氟剂相比,具有效率高,反应快的优点。同时本论文的相关研究为地下水除氟技术的实际应用提供了理论支持和技术指导。
【学位单位】：石河子大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB383.1;O647.3;X523
【部分图文】：

氟离子标准曲线

MHS-CaO的XRD图

MHS-CaO的N2吸脱附曲线

【参考文献】

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本文编号：2813470