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锰、锆复合吸附剂的制备及除氟机理研究

李茜  
【摘要】:本实验在课题组Zakir Hussain的研究基础上,选用锰(Mn)、锆(Zr)两种金属元素制备复合脱氟吸附剂,力求开发一种吸附性能好且适用范围广的除氟吸附剂。具体实验内容包括以下几个方面:(1)通过共沉淀法制备了Mn-Zr复合除氟吸附剂,对其吸附除氟性能进行初步探究。本实验中采用五水合硝酸锆与一水合硫酸锰两种金属盐,按摩尔浓度比1:1配制混合盐溶液。以氨水为沉淀剂,滴定终点pH值控制在10±0.2,所得沉淀物经离心洗涤干燥后,在马弗炉中400℃条件下煅烧2 h,得到Mn-Zr复合除氟吸附剂。对该吸附剂进行pH的影响,吸附动力学及吸附热力学探究。研究结果表明,在投加量为2.0g·L~(-1),温度为25℃时,对于初始氟浓度为10 mg·L~(-1),pH为2~10的溶液,吸附量均在4.6 mg·g~(-1)以上,反应在120 min时基本达到平衡。(2)进一步对Mn-Zr复合除氟吸附剂进行改性,使用溶胶凝胶法制备Mn-Zr-Et复合除氟吸附剂,并通过静态批次试验研究其吸附除氟性能。采用与Mn-Zr复合除氟吸附剂相同的两种金属盐,其中锆盐以乙醇为溶剂,锰盐以去离子水为溶剂,分别溶解后混合制得均匀溶胶,在室温下陈化12小时后得到白色凝胶,经离心洗涤干燥后,得到Mn-Zr-Et复合除氟吸附剂。对该吸附剂进行一系列静态批次试验研究。结果表明,溶胶-凝胶法制备出的Mn-Zr-Et复合吸附剂,在投加量为1.5 g·L~(-1),温度为25℃时,对于初始氟浓度为10 mg·L~(-1),pH为2~11的溶液,吸附量均在6.4~6.5 mg·g~(-1)范围内。对于初始氟离子浓度分别为10 mg·L~(-1)、30mg·L~(-1)与50 mg·L~(-1)的溶液,反应均在10 min内达到平衡。共存离子HPO_4~(2-)、CO_3~(2-)在离子浓度达到500 mg·L~(-1)时,对除氟效果影响较大。此外,物质的量浓度为0.1M的Na_2CO_3与NaOH溶液能够对载氟Mn-Zr-Et进行较好的解析。(3)分别采用XRD、FTIR、FESEM、XPS等分析方法,对Mn-Zr-Et吸附剂的物化性质进行了表征实验探究。并对反应出水中硫酸根离子、锰离子与锆离子浓度随溶液pH的变化进行探究。结果表明,在制备Mn-Zr-Et复合吸附剂过程中,可能存在Zr(IV)与CH_3CH_2OH的配位化学反应,吸附剂表面有大量硫酸根官能团。所制得的Mn-Zr-Et吸附剂呈非晶体状态,属于无定型结构。吸附剂吸附氟离子后,羟基参与到吸附氟的反应中,同时吸附剂表面的SO_4~(2-)发生离子交换反应。此外,F~-可能与Zr-O基团发生反应形成氟化物。锆离子在反应过程中无明显溶出且受pH的影响较小。对于锰离子,在初始含氟溶液初始pH在2~11的范围内,有稳定的离子溶出。本论文的研究成果为制备出Mn-Zr-Et复合除氟吸附剂,该吸附材料具有吸附速率快、pH适应范围广、抗共存离子干扰等优点。对其后续实际应用起到一定的理论指导作用,为从源头上解决饮用水氟污染问题提供新思路与新途径。


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