【摘 要】
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水资源短缺问题在我国长期存在,而海水淡化成为解决这种现象的有效途径。很多国家和地区在反渗透技术持续发展的基础上,将淡化海水纳入到他们的饮用水水源,但是,一级反渗透乃至二级反渗透的出水水质的某些指标尚达不到我国生活饮用水的水质要求,其中一个突出的问题便是硼含量超标。长期饮用硼超标的淡化水将引发潜在的健康问题。因此,进行淡化水的硼去除研究十分必要,这对于保障居民的饮用水安全和人体健康都有着重大的现实意
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水资源短缺问题在我国长期存在,而海水淡化成为解决这种现象的有效途径。很多国家和地区在反渗透技术持续发展的基础上,将淡化海水纳入到他们的饮用水水源,但是,一级反渗透乃至二级反渗透的出水水质的某些指标尚达不到我国生活饮用水的水质要求,其中一个突出的问题便是硼含量超标。长期饮用硼超标的淡化水将引发潜在的健康问题。因此,进行淡化水的硼去除研究十分必要,这对于保障居民的饮用水安全和人体健康都有着重大的现实意义。通过室内实验,采用共沉淀法制备磁性纳米四氧化三铁（Fe3O4）,将其与金属有机骨架HKUST-1复合形成新的复合材料HKUST-1/Fe3O4。利用扫描电镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）等技术手段对HKUST-1/Fe3O4复合材料进行表征分析,表明复合材料HKUST-1/Fe3O4不仅具备了HKUST-1材料的多孔性能,而且表现出磁性纳米材料Fe3O4的显著磁性特征,这为后续复合材料去除淡化海水中的硼奠定了基础。开展了复合材料HKUST-1/Fe3O4对硼的吸附实验,分析了复合材料中Fe3O4的比例、吸附剂投加量、p H值、温度、吸附时间和初始浓度等因素对HKUST-1/Fe3O4复合材料在淡化海水中对硼离子的吸附性能和效果的影响。研究表明,选用Fe3O4复合比例为30%的HKUST-1/Fe3O4复合材料、复合材料的投加量为3.0 mg、硼的初始浓度为1 mg/L、溶液的p H值为6.0、脱除温度为35℃、吸附时间为30 min的实验条件,HKUST-1/Fe3O4复合材料对硼离子的吸附容量可以达到6.21 mg/g,去除硼的效果比较好。采用拟一级吸附动力学模型和拟二级吸附动力学模型、Freundlich等温线模型和吸附热力学分析硼吸附过程中的特征,HKUST-1/Fe3O4复合材料对硼的吸附过程与拟二级动力学模型的拟合情况比较好,模型的R~2值可以达到0.9975,这可以说明复合材料对硼的吸附实验过程主要是由化学吸附来影响控制。硼在HKUST-1/Fe3O4复合材料上的吸附等温线比较符合Freundlich模型,拟合之后得到的R~2值达到了0.8752,这可以说明复合材料对硼的吸附实验过程是通过物理吸附以及化学吸附来对其进行共同作用。研究分析了HKUST-1/Fe3O4复合材料对硼的吸附热力学,可以得出硼在HKUST-1/Fe3O4复合材料上的吸附是自发的,硼在HKUST-1/Fe3O4表面发生了离子交换过程。对HKUST-1/Fe3O4复合材料做吸附-洗脱循环实验,研究复合材料的可再生和回收性能;并采用Box-Behnken Design响应面优化法来对HKUST-1/Fe3O4复合材料去除硼的实验过程进行随机试验设计以及对整个实验的条件进行优化,从而拟合出在最佳的吸附实验条件下所预测出的响应值。结果表明,HKUST-1/Fe3O4复合材料有着较好的再生能力,经过了3次吸附-洗脱循环后HKUST-1/Fe3O4复合材料对硼的吸附容量仅有微量下降,这表明该复合材料在淡化海水中去除硼的实际应用中能够多次循环再生使用。通过研究分析响应面优化,复合材料HKUST-1/Fe3O4对硼的吸附与Box-Behnken模型具有较高的兼容性,复合材料的投加量、溶液的p H值和实验的反应两两之间都存在着交互的关系,复合材料HKUST-1/Fe3O4对硼吸附的最佳条件是投加量3.0 mg、p H值6.0、温度为35℃。模型拟合的最大硼吸附容量为6.21 mg/g。验证实验得到的硼吸附容量为6.18 mg/g,符合响应面的模拟结果。本研究制备的复合材料HKUST-1/Fe3O4表现出了对硼良好的吸附性能,在含硼量较低的水体中仍然适用,可用于淡化海水的除硼过程。
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