热活化水化高铝水泥颗粒的制备及其吸附氟化物行为研究

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氟是人体所必需的微量元素之一,适量摄入氟有利于骨骼和牙齿的钙化,但摄入氟含量过高会引起氟中毒,甚至会导致神经系统病变,以致死亡。在常用的除氟方法中,吸附法因其操作简单、运行可靠,无二次污染等特点而被广泛关注。现有吸附剂大多数存在吸附容量低、初期吸附速度较慢、价格高等问题,从而限制了吸附法的应用。本研究以水化高铝水泥(ALC)为原料,经过不同温度热活化改性制备成新型颗粒状吸附剂(ALCt),研究了所制备吸附材料对水溶液中氟离子的去除性能,以及热活化温度、粒径、接触时间、pH、共存离子和离子强度等因素对其吸附氟化物性能的影响,通过TGA、XRD、FT-IR、SEM等多种表征技术分析了其表面形态和内部结构特征及其吸附机理,并研究了所制备的吸附材料的脱附再生性能,探究高铝水泥作为新型廉价高效除氟吸附剂的应用前景。研究结果如下:(1)高温活化使水化高铝水泥的物理化学性质发生了明显变化,随温度升高,高铝水泥的水化产物逐渐发生脱水现象;样品比表面积和孔体积随着活化温度的升高而波动变化,600℃活化的样品表面变得粗糙,孔隙度增加,ALC600和ALC700比表面积较大,分别达到24.1 m2/g和24.8 m2/g;900℃焙烧后,样品表面出现大量裂缝,ALC900的比表面积减少至7.2m2/g。(2)ALCt对氟化物的吸附量随着活化温度的升高而波动变化,ALC600对氟化物的吸附容量最大,为17.42mg/g(C0=100mg/L,投加量5g/L,T=25℃,pH=7,接触时间72h);同时其质量损失率相对较小为7.88%,在1h的吸附容量达到5.42mg/g,相比其他活化温度的ALC具备初期吸附速度快的优势,综合比较确定600℃为ALC的最佳活化温度;1-2mm粒径的ALC600颗粒吸附容量最大,同时1-2mm颗粒具备初期吸附速度快的优势,确定1-2mm为吸附剂最优粒径。(3)ALC600吸附氟离子在72h后达到平衡状态;ALC600在较大的pH(5-9)范围内具有良好的除氟性能;水中常见阴离子对ALC600吸附氟化物影响大小排列顺序:CO32->HCO3->PO42->NO3->SO42->Cl-;ALC600对氟化物的吸附性能不受离子强度的影响。(4)动力学拟合结果表明ALC600对氟化物的吸附动力学过程符合准二级反应动力学模型,等温吸附过程符合Langmuir吸附等温模型,理论最大吸附容量为223.72mg/g,热力学结果表明吸附过程是吸热、熵增的自发过程。结合吸附氟化物前后ALC600的晶体结构、化学键、表面形态的变化,确定其吸附机理是以化学吸附为主,通过内部络合和表面沉淀来实现氟离子的去除,同时也涉及离子交换和静电作用。(5)多次再生后结果表明,0.25mol/LAl2(SO43溶液对ALC600的再生效果最好,再生时间为3h。ALC600在有限次数再生的条件下,仍然具有较高的吸附容量。
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