天然及合成多孔性粘土材料对地下水中氟化物的吸附性能研究

发布时间：2020-06-02 10:28

【摘要】：近年来，地下水氟污染已经逐渐成为世界性问题而引起关注。世界上多个国家和地区饮用水中氟化物的含量都超过世界卫生组织规定的标准，严重威胁到动植物以及人类的健康。对于国内外来说，吸附法由于其操作简便性和环境友好性已经成为应用最广泛的去除地下水及饮用水中氟化物的方法。目前，常用的除氟吸附剂主要有天然、合成和生物类材料，这些材料虽然具有一定的吸附除氟能力但是也存在一定的缺陷。其中，一些材料对环境pH值的适应性较差，一些材料成本高昂，且大多为粉末状，容易堵塞水道，因此在实际的水处理除氟工艺中受到了限制。本文主要以氟污染地下水为主要研究对象，探讨天然粘土材料和人工合成多孔性矿物材料对地下水氟化物的吸附特性，着力于为吸附除氟材料的开发及地下水氟化物去除提供理论依据和技术支持，为实现地下水中氟污染物的去除提供理论依据。论文工作从整体上分为三大部分：第一部分采用静态和动态试验方法，研究了天然鹿沼土对水溶液中氟离子的吸附性能，获得了吸附热力学和动力学曲线；建立了吸附平衡热力学、动力学模型；求取了模型参数，计算了天然鹿沼土吸附氟化物的有关热力学状态函数；探讨了鹿沼土的吸附除氟机理，并采用实际地下水样配制含氟废水对鹿沼土吸附除氟能力进行了研究。结果发现，鹿沼土对氟化物的吸附反应初始速率很快且在2h左右达到吸附平衡；溶液初始pH值介于4.0-10.0之间时除氟效率达到最大；吸附等温线可以用Dubnine-Radushkevich(D-R)方程和Freundlich方程描述，吸附过程符合二级动力学方程；吸附过程为吸热反应，根据其焓变H = 11.782 kJ/mol可以推断鹿沼土与氟离子的吸附作用力主要为氢键力和偶极间作用力；氯离子和硝酸根离子对天然鹿沼土的吸附除氟过程基本没有影响，硫酸根离子和碳酸氢根离子对吸附过程略有消极影响，碳酸根和磷酸根对吸附过程有明显抑制作用；在动态柱吸附试验中，随着进水流速的增大，柱子高度的降低以及入水氟离子浓度的增大，鹿沼土柱的穿透时间逐渐缩短，从而使鹿沼土对氟离子的吸附达到饱和状态变快。动态土柱实验中鹿沼土对氟离子的吸附过程符合Thomas动力学公式和BDST模型。第二部分主要采用静态吸附试验方法，研究了分别以FeSO_4·7H_2O和Fe_2O_3为铁质的合成多孔性粘土材料对水溶液中氟化物的吸附性能，获得了吸附热力学和动力学曲线；建立了平衡吸附热力学、动力学模型；求取了模型参数，计算了两种铁质合成材料对吸附氟化物的有关热力学状态函数。探讨了合成材料对氟化物的吸附机理，并采用实际地下水样对以FeSO_4·7H_2O为铁质合成材料的吸附除氟能力进行了研究。结果发现，以FeSO_4·7H_2O和Fe_2O_3为铁质的合成多孔性粘土材料对氟化物的吸附过程都符合二级动力学和内扩散方程，氟离子在以FeSO_4·7H_2O和Fe_2O_3为铁质的两种合成多孔性粘土材料上的静态吸附平衡时间都为48 h左右；以FeSO_4·7H_2O和Fe_2O_3为铁质的合成多孔性粘土材料分别在溶液初始pH值为7.0和4.0左右时对氟化物的去除率达到最大值，氟化物去除率分别为94.23%和60.48%；以FeSO_4·7H_2O和Fe_2O_3为铁质的合成多孔性粘土材料对溶液中氟化物的吸附过程都符合Langmuir和Freundlich吸附等温方程，其Langmuir最大吸附容量分别为2.16和1.70 mg/g；以FeSO_4·7H_2O和Fe_2O_3为铁质的合成多孔性粘土材料对氟化物的吸附过程均为吸热反应；溶液中共存的氯离子和硝酸根离子基本不影响以FeSO_4·7H_2O为铁质的合成多孔性粘土材料对氟化物的去除效果，而硫酸根离子对除氟效果有一定的消极影响，碳酸根和磷酸根离子对以FeSO_4·7H_2O为铁质的合成多孔性粘土材料的除氟效率影响最大；以FeSO_4·7H_2O为铁质的合成多孔性粘土材料的吸附除氟过程主要以化学吸附作用为主。第三部分采用静态吸附试验方法，分别研究了以木节粘土和金刚土为骨架的Fe/Al改性多孔性粘土材料对水溶液中氟化物的吸附性能，获得了吸附热力学和动力学曲线；建立了平衡吸附动力学模型和等温模型；求取了模型参数，探讨了两种改性合成材料对氟化物的吸附机理，并采用实际地下水样对以两种材料的吸附除氟能力进行了研究。结果发现，以木节粘土和金刚土为基本骨架的改性多孔性粘土材料对溶液中的氟化物均具有较好的吸附能力；两种材料均在溶液初始pH = 6.0条件时达到最大吸附容量，溶液初始pH值低于4.0或高于10.0均不利于两种材料对氟化物的吸附；两种材料的吸附除氟过程均符合二级动力学方程；两种材料的Langmuir最大吸附容量分别为1.79 mg/g和3.38 mg/g；Freundlich吸附等温方程中的1/n值均小于1，表明两种改性材料的吸附除氟过程均为有利吸附；以金刚土为基本骨架的改性材料对氟离子的亲和能力要强于以木节粘土为基本骨架的吸附材料，前者的氟吸附容量约为后者的2倍；以金刚土为基本骨架的改性吸附材料在多种离子共存条件下仍能保持较好的吸附除氟性能。当初始氟浓度为10 mg/L，吸附剂量为20 g/L条件时，氟化物去除率保持在80%以上，而以木节粘土为基本骨架的吸附材料除氟效果则明显降低。总之，天然鹿沼土、含铁质多孔性合成材料及Fe/Al改性的粘土材料均对溶液中的氟化物具有良好的吸附性能，本论文的研究成果为地下水除氟技术的实际应用和优化运行提供了理论依据和技术指导。
【图文】：

去除率,浓度图,表面图,吸附剂

28图 2-1 吸附剂量对鹿沼土吸附除氟效果的影响由图 2-1 可以看出，氟化物的吸附去除率随吸附剂量的增加而明显增大。当附剂量为 2 g/L 时，氟去除率仅为 31.4%；当吸附剂量为 20 g/L 时，去除率几可以达到 99%；当吸附剂量超过 10 g/L 时，氟去除率的增长逐渐变缓。这主是因为随着吸附剂量的增加，，吸附剂表面所能够提供的吸附位点也逐渐增加，此去除率逐渐增大。当吸附剂量增加到一定量时(即 10 g/L 左右)，由于初始氟液浓度不变，即使继续增加吸附剂量，氟去除率的变化也会逐渐趋于平缓。这结果也与 Fan 等(2003)使用方解石作为吸附剂探讨吸附除氟的研究结果相一。因此，在后续的静态试验中，本实验选择以 10 g/L 作为吸附剂量探讨其它

去除率,除氟,反应时间,含氟

件和因素对鹿沼土吸附除氟效果的影响。反应时间对吸附除氟效果的影响按照静态吸附试验方法，使用初始浓度为 5 mg/L 的含氟溶液，10 g/L 的吸剂量进行试验，探讨反应时间(5、10、20、30、45、60、90 和 120 min)逐渐增条件下，氟去除率随反应时间的变化情况，实验结果如图 2-2 所示。
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X703

【引证文献】