鋁改性活性炭去除水中氟離子工藝

氟是人體生命活動(dòng)中必需的微量元素之一，但若氟化物攝入超量容易引起氟牙癥、氟骨癥等疾病。我國(guó)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）規(guī)定飲用水中氟離子濃度應(yīng)小于1.0mg/L，但部分農(nóng)村的地下水氟離子濃度處于1.1mg/L~15mg/L之間。因此，快速有效保障飲用水中氟離子濃度達(dá)標(biāo)，減少飲用水型氟中毒刻不容緩。

吸附法具有低成本、易操作、可重復(fù)使用等特點(diǎn)，常用于水的除氟。活性炭因其表面積大、孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、表面官能團(tuán)豐富，是吸附法去除污染物的最常用材料。然而對(duì)于陰離子型水污染物，單獨(dú)使用活性炭的效果并不理想，有研究發(fā)現(xiàn)利用金屬氧化物或氫氧化物改性的活性炭可以提高其對(duì)氟離子的吸附選擇性?；钚匝趸X被認(rèn)為是最有效的除氟劑之一。因此，通過(guò)探究鋁改性活性炭(Al-AC）最佳制備溫度，并考察所制得的Al-AC在投加量、吸附時(shí)間和初始濃度等不同條件下對(duì)去除水體中氟化物的性能影響。

1、材料與方法

1.1 材料

活性炭(AC)為市售所購(gòu)，NaF、AlCl3、氨水等為西隴科學(xué)股份有限公司產(chǎn)品。

1.2 鋁改性活性炭的制備

將5g活性炭(AC)加入100mL的0.3mol/LAlCl3溶液并攪勻，同時(shí)用3mol/L氨水將溶液pH調(diào)至7，靜置沉淀完全后過(guò)濾分離，將沉淀物于100℃烘箱烘2小時(shí)，后移入氮?dú)夥諣t中燒制，燒制條件：以升溫速率10℃/min升溫至目標(biāo)溫度，維持2小時(shí)，后在氮?dú)夥障伦匀唤抵潦覝?。取出樣品研磨備用，得成品即為鋁改性活性炭(Al-AC)。

1.3 氟離子吸附實(shí)驗(yàn)

1.3.1 投加量對(duì)氟離子吸附的影響

分別稱取Al-AC0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1g置于50ml錐形瓶，各加入濃度10mg/L的氟溶液10mL，在25℃、攪拌轉(zhuǎn)速150r/min條件下吸附120min，過(guò)濾分離后，使用氟離子電極法測(cè)量濾液中F-的濃度。

1.3.2 吸附時(shí)間對(duì)氟離子吸附的影響

取9份Al-AC各0.04g，置于50ml錐形瓶，分別加入濃度10mg/L的氟溶液10mL，在25℃、攪拌轉(zhuǎn)速150r/min條件下分別吸附5、15、30、60、120、180、240、300、360min，過(guò)濾并測(cè)量濾液的F-濃度。

1.3.3 F-初始濃度對(duì)氟離子吸附的影響

取6份Al-AC各0.04g，置于50ml錐形瓶，分別移取F-濃度為5、10、20、30、40、50mg/L的氟溶液10mL加到上述錐形瓶，在25℃、攪拌轉(zhuǎn)速150r/min條件下，吸附120min，過(guò)濾并測(cè)量濾液的F-濃度。

1.3.4 pH對(duì)氟離子吸附的影響

取6份Al-AC各0.04g，置于50ml錐形瓶，分別移取10mL、pH分別為2、4、6、8、10、12的10mg/L氟溶液到各錐形瓶，在25℃、攪拌轉(zhuǎn)速150r/min條件下，吸附120min，過(guò)濾并測(cè)量濾液的F-濃度。

2、結(jié)果與討論

2.1 AC和Al-AC的除氟性能

圖1是AC和Al-AC對(duì)F-的吸附容量。圖中明顯的可見(jiàn)，Al-AC對(duì)F-的吸附容量大于AC，在25℃、F-初始濃度為10mg/L、投加量1g/L、吸附時(shí)間120min條件時(shí)，Al-AC和AC對(duì)F-的吸附容量qe分別為0.951mg/g和0.563mg/g，即相同條件下Al-AC對(duì)F-的吸附容量比AC高68.9%。

2.2 燒制溫度對(duì)Al-AC除氟性能的影響

圖2為不同燒制溫度條件制得的Al-AC的除氟性能。由圖2可知，隨燒制溫度增加，Al-AC的吸附容量呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)燒制溫度500℃時(shí)Al-AC對(duì)氟化物的吸附容量最大。這是由于燒制溫度過(guò)低，不利于金屬氫氧化物的分解，會(huì)導(dǎo)致形成不完全的孔結(jié)構(gòu)，不利于對(duì)氟化物的吸附。但當(dāng)燒制溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)使得金屬氧化物顆粒過(guò)度結(jié)晶和團(tuán)聚，造成活性炭孔洞的堵塞，使吸附能力降低。因此，將最佳燒制溫度定為500℃。

2.3 投加量對(duì)Al-AC吸附容量的影響

不同投加量下，Al-AC對(duì)氟化物的吸附量的變化與對(duì)應(yīng)除氟效率見(jiàn)圖3。由圖3所示，隨著Al-AC投加量的增加，其對(duì)溶液中F-吸附量逐漸減小，然而去除率顯著增加。當(dāng)Al-AC投加量為0.04g時(shí)，去除率為95.4%，之后隨著投加量的增加，去除率變化很小，幾乎趨于平衡，故認(rèn)為最佳Al-AC投加量為0.04g。

2.4 吸附時(shí)間對(duì)Al-AC除氟性能的影響

由圖4所示，溶液中F-的去除率隨著吸附時(shí)間的增加而顯著增加，去除率快速增加的原因是因?yàn)樵诔跏茧A段在Al-AC上有大量的吸附位點(diǎn)。當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)到120min時(shí)，去除率為96.5%，進(jìn)一步延長(zhǎng)吸附時(shí)間，F-的去除率趨于不變。因此，將最佳吸附時(shí)間定為120min。

2.5 F-初始濃度對(duì)Al-AC除氟性能的影響

由圖5所示，隨著F-初始濃度的增加，溶液中F-去除率展示出先增加后減少的趨向。當(dāng)F-初始濃度為10mg/L時(shí)，F-去除率最大為96.4%，因此將最佳F-初始濃度定為10mg/L。

2.6 pH對(duì)Al-AC除氟性能的影響

由圖6所示，隨著pH值的增加，Al-AC對(duì)F-的去除率展示出先增加后減少的趨勢(shì)。在pH為6時(shí)，去除率最大為96.6%。當(dāng)pH小于6時(shí)，去除率低的原因可能是因?yàn)?/span>HF-的生成。值得注意的是，當(dāng)pH大于10時(shí)，去除率明顯減少，可能是因?yàn)槿芤褐械牧u基離子與F-競(jìng)爭(zhēng)引起，因此離子交換可能是Al-AC吸附F-的重要途徑。

2.7 Al-AC的吸附等溫線研究

如圖7和表1所示，在298K的條件下，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)Langmuir和F-reundlich兩種模型擬合得到的相關(guān)系數(shù)R分別為0.93和0.94，表明F-reundlich模型更加適用于擬合該吸附過(guò)程，Al-AC對(duì)氟化物的吸附過(guò)程主要?dú)w因于多層吸附。此外Langmuir模型計(jì)算得到Al-AC對(duì)F-的最大吸附量為5.08mg/g。

3、結(jié)論

通過(guò)研究不同因素對(duì)Al-AC除氟效果的影響，可以得出以下結(jié)論：

(1)Al-AC的最佳燒制溫度為500℃，Al的摻雜使AC對(duì)氟化物的去除性能提高68.9%。

(2)Al-AC除氟的最佳條件為：25℃時(shí)，F-初始濃度10mg/L下，Al-AC的投加量4g/L、吸附時(shí)間120min、pH=6。

(3)通過(guò)研究Al-AC的吸附等溫線模型發(fā)現(xiàn)，在298K的條件下，Al-AC對(duì)F-的最大吸附量為5.08mg/g;F-reundlich模型更加適用于擬合該吸附過(guò)程，表明Al-AC對(duì)氟化物的吸附過(guò)程主要?dú)w因于多層吸附。（來(lái)源：(環(huán)境與資源學(xué)院、碳中和現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院，福建師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所，城市廢物資源化技術(shù)與管理福建省高校工程研究中心，福建省污染控制與資源循環(huán)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州市環(huán)境科學(xué)研究院）