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锆改性挤压茶渣和茶籽壳生物炭除氟性能探究

梅丽萍  
【摘要】:氟元素普遍存在自然界中,与人体生命活动息息相关。摄入适量的氟,可以保护牙齿和骨骼,而长期过量摄入,则会引起氟中毒,其对机体的伤害主要表现为氟斑牙,氟骨症,此外对大脑、肝脏、甲状腺和肾脏也会造成伤害。我国是世界上饮水型氟中毒危害最重、流行最广的国家之一。而到迄今为止,地方性氟中毒还没有效的治疗手段,因此通过降低饮用水氟含量来预防氟中毒,是控制饮水型氟中毒的主要手段。在众多的除氟技术中,吸附法因其成本低、操作方便等优点成为最常用的除氟技术。本研究利用生物质材料为基础制备了一系列除氟生物吸附剂,并对其理化特征、吸附特性及吸附机理等进行探讨。主要研究内容如下:(1)本实验用农业废弃物茶渣,经过挤压膨化预处理后,再经锆改性制得除氟生物吸附剂(EXT-Zr)。研究了EXT-Zr在不同添加量(0.32-2.0 g/L),吸附时间(1-240min),氟离子初始浓度(5-400 mg/L),p H(3-12)以及其它离子共存(Cl~-、NO_3~-、SO_4~(2-)、HCO_3~-)的条件下对氟离子的吸附规律。实验数据显示,EXT-Zr的除氟效果要优于锆改性茶渣(Tea-Zr);EXT-Zr的添加量为1.2 g/L时吸附达到平衡状态;EXT-Zr的除氟能力随着吸附时间增长而增加,在90 min达到吸附平衡;EXT-Zr的除氟能力随着初始浓度的增加而逐渐增加,当初始氟离子浓度为200 mg/L时,达到吸附平衡状态;在p H值为3-10范围内,EXT-Zr都能保持稳定的吸附能力;除HCO_3~-外其它共存离子(Cl~-、NO_3~-和SO_4~(2-))对EXT-Zr的除氟能力影响较小。吸附过程更符合准二级动力学模型,说明吸附行为是化学反应过程;同时也符合Langmuir等温线模型,说明吸附为单分子层吸附,理论最大吸附量为20.56 mg/g。为了深入了解EXT-Zr吸附机理,进行了扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、比表面积与孔隙度分析(BET)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶红外光谱(FTIR)等表征实验,结果显示挤压膨化使得茶渣表面孔径增大,提高了除氟能力;EXT-Zr的吸附机理主要为OH~-和F~-发生离子交换。(2)本实验利用农业废弃物茶籽壳,先经过氧氯化锆溶液浸渍处理,再进行高温锻烧后制得锆改性生物炭除氟吸附剂(Zr O_2/BC)。研究Zr O_2/BC的不同添加量(0.2-4.0 g/L),吸附时间(1-240 min),不同氟离子初始浓度(5-70 mg/L),p H(3-12)以及其它离子共存(Cl~-、NO_3~-、SO_4~(2-)、HCO_3~-)的条件的吸附氟离子规律的研究。实验结果显示,Zr O_2/BC的吸附率随吸附剂添加量的增加而增长,在1.6 g/L时,吸附达到平衡状态,吸附率达到90%以上;Zr O_2/BC对氟的吸附量随吸附时间的增加而增加,在接触180 min后,吸附达到平衡状态;Zr O_2/BC对氟离子的吸附能力随初始浓度的增加而增加,在50 mg/L浓度下,吸附容量达到平衡;在p H 3.0-9.0范围内,Zr O_2/BC可以保持相对稳定的吸附能力;在其它离子共存时,Cl~-、NO_3~-和SO_4~(2-)对氟离子的去除作用影响较小。然而,HCO_3~-对去除氟的能力有很大的影响。吸附过程符合准二级动力学模型,说明吸附行为是化学反应过程;同时也符合Langmuir等温线模型,说明吸附为单分子层吸附,理论最大吸附量为11.04 mg/g。热力学实验说明,吸附过程为自发吸热反应。为了深入了解Zr O_2/BC吸附机理,进行了SEM、EDS、Zeta电位、XRD、FTIR和XPS表征实验,结果显示Zr O_2/BC主要通过OH-和F-发生离子交换,从而有效去除饮用水中的氟离子。本研究制备的两种除氟吸附剂,能够有效降低饮用水中的氟离子的浓度。同时又具备成本低,处理简单,有效吸附p H范围广等的优势。


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