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炭陶除氟吸附材料的研究

金浩  
【摘要】: 将骨炭与竹屑、粘土复合,经炭化活化制备一种廉价的除氟剂——炭陶除氟吸附材料。研究了炭陶除氟吸附材料的制备及其吸附特性,并利用孔隙及比表面积分析仪(BET)、扫描电子显微镜(SEM)、傅立叶转换红外光谱扫描仪(FTIR)等测试方法对其结构进行了表征,且探讨了炭陶除氟吸附材料的除氟机理。 通过研究在制备炭陶除氟吸附材料过程中,原料的选择、原料的比例、升温速率、活化温度及保温时间对除氟性能的影响,得出制备炭陶除氟吸附材料的最佳工艺为:膨润土、骨炭及竹屑的比例为1:2:1,升温速率为5℃/min,活化温度为600℃,保温时间为1h。此时,炭陶除氟吸附材料的除氟容量为2.214mg/g,除氟率为88.56%。而且,炭陶除氟吸附材料的除氟效果比膨润土、骨炭及竹炭的除氟效果更佳。这说明炭陶除氟吸附材料在除氟过程中发生了协同效应,增强了其除氟效果。通过静态及动态吸附试验可知,溶液的pH=6~8,吸附时间为3h,吸附温度为20~30℃为最佳的除氟条件。当原水浓度小于5mg/L时,选择适量的吸附剂,吸附后氟离子的浓度小于1mg/L,达到国家饮用水标准。经研究,在其它条件一定的情况下,滤层越高、流速越慢以及原水浓度越低,系统有效运行的时间越长,通水倍数越大。但是,流速过慢会影响处理效率。 通过对炭陶除氟吸附材料、骨炭、竹炭以及粘土的比表面积的测定和孔容及孔径分布的分析可知,在最佳工艺条件下得到的炭陶除氟吸附材料的比表面积均比骨炭、竹炭以及粘土高,而且以中孔占主体。其比表面积为326.66m2/g,孔容为0.5057cm3/g。这说明了骨粉、竹屑以及粘土并不是机械的混合在一起,而是在炭化活化的过程中三者之间相互作用,促使炭陶除氟吸附材料的孔隙结构更为发达。通过对骨炭及炭陶除氟吸附材料的扫描电子显微镜观察可知,粘土及骨炭在活化焙烧的过程中,能较好的有机结合在一起。这主要是因为粘土及骨炭在活化焙烧的过程中也形成了大量的大孔、中孔及微孔,其中大孔可以起到通道的作用这样就对复合材料中竹炭的孔隙结构[0]不造成堵塞与破坏,而中孔及微孔具有较好的吸附作用,使得炭陶除氟吸附材料的比表面积增大,孔隙结构趋于发达,进一步加大对氟离子的吸附作用。 通过对炭陶除氟吸附材料的傅立叶转换红外光谱扫描分析可知,活化温度及保温时间均对炭陶除氟吸附材料表面官能团及其组成结构带来影响。活化温度越高,越有利于骨炭中P-H键或粘土中的Si-H键的形成;保温时间越长,活化更加充分,形成的C-O键较多,这些措施对加大材料的除氟效果起到了积极作用。


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