【摘要】：全世界大約有20多個國家和地區(qū)都不同程度的存在因地下水中含氟濃度較高而導(dǎo)致的飲用水氟離子超標(biāo)問題。飲用含氟水很容易引起氟中毒,世界衛(wèi)生組織將飲用水中的氟離子濃度限定為1.0mg/l。在我國除上海、海南、臺灣外,其他各個省市自治區(qū)都有不同程度的存在地方性氟中毒現(xiàn)象,有近7000萬人的長期飲用含氟超標(biāo)的飲用水。同時,沿用百年的常規(guī)凈水工藝,即“絮凝—沉淀—過濾—消毒”,難以有效去除飲用水中氟離子(≤10ppm)。含氟水的有效去除關(guān)系到部分中西部和邊遠地區(qū)飲用水安全。因此,發(fā)展高效、低成本且無次生污染的實用凈水脫氟技術(shù),是保障飲用水安全亟需解決的關(guān)鍵問題。 本論文針對我國含氟水的特點和深度凈化處理的需求,設(shè)計合成介孔氧化硅、介孔氧化鋁以及氧化硅-氧化鑭介孔復(fù)合材料和多孔層狀水滑石等特定結(jié)構(gòu)與形貌的納米吸附材料。探索其孔徑大小及分布方式的調(diào)制規(guī)律：研究其在水中與氟離子的相互作用；探討其吸附熱動力學(xué)過程。揭示納米吸附材料對氟離子的高效吸／脫附機理；闡明組分、介孔結(jié)構(gòu)幾何特性的變化對氟離子吸附特性的影響機制。其主要研究內(nèi)容如下： 1.利用介孔氧化硅MCM-41為模板成功制備出規(guī)則的六邊柱狀及圓柱狀鑭-硅復(fù)合介孔材料,其孔道直徑約為4nm,比表面積約為800.40m2/g。在鑭含量小于10%的范圍內(nèi),隨著材料中鑭含量的增加,可實現(xiàn)有序介孔結(jié)構(gòu)向蠕蟲介孔結(jié)構(gòu)的演化,顯著調(diào)控材料的表面Zeta電位,從而提高其對水中氟離子的吸附。突破了具有表面負電荷特性的硅基介孔材料未能有效應(yīng)用于無機陰離子吸附的難題。吸附試驗研究表明：在微污染低濃度條件下(氟離子≤10ppm),鑭-硅復(fù)合介孔材料表現(xiàn)出良好的快速去除水中氟離子的能力。氟離子初始濃度為5.72mg/時,60min內(nèi)氟離子吸附量高達25.36mg/g。動力學(xué)研究表明 吸附過程符合準二級動力學(xué)模型。 2.介孔氧化鋁的可控合成：采用P123聚醚為模板劑,以異丙醇鋁為鋁源,溶膠-凝膠合成出了高度有序介孔氧化鋁,其比表面積為338m2/g,孔徑約9nm,孔體積為0.88cm3/g。通過提高合成過程的煅燒溫度可使介孔材料孔壁晶化,當(dāng)溫度達到850-C時,成功制備出晶態(tài)有序介孔γ-Al2O3,其比表面積為224.40m2/g,孔體積為0.664cm3/g。以硝酸鋁和氯化鋁為鋁源,溶膠-凝膠合成出了球形蠕蟲狀介孔氧化鋁,其比表面積分別為127.1m2/g和85.68m2/g,孔徑約10nm和14nm,孔體積為0.33cm3/g和0.35.cm3/g。研究了不同鋁源、煅燒溫度等對介孔氧化鋁的形貌、孔徑大小、分布、孔道結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律。 3.介孔氧化鋁吸附氟離子性能研究：制備出的介孔氧化鋁材料具有十分優(yōu)異的氟離子快速吸附性能,吸附速率快(10min達到吸附平衡),吸附容量高。有序介孔氧化鋁吸附容量高達115.41mg/g,蠕蟲狀介孔氧化鋁吸附容量也高達96.18mg/g,為同等條件下傳統(tǒng)的Y-Al2O3的幾十倍,該數(shù)值遠高于文獻報道的鋁系氟離子吸附材料。共存離子研究表明,晶化介孔氧化鋁因其晶態(tài)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性表現(xiàn)出良好的離子選擇性和可重復(fù)利用性。在高氟離子濃度條件下,兩種吸附劑的吸附熱力學(xué)均符合弗里德里希模型。但在低濃度(氟離子≤10ppm)溶液中,吸附熱力學(xué)符合朗格繆爾吸附模型。 4.利用水熱法合成均一、規(guī)整的六方片狀鎂鋁層狀水滑石(LDHs),其直徑約為200～300nm,厚度為20nm。通過焙燒復(fù)原法驗證了鎂鋁水滑石具有優(yōu)異的“結(jié)構(gòu)記憶”效應(yīng)。重點研究了低濃度條件下(氟離子≤10mg/l)鎂鋁水滑石及焙燒水滑石的吸附性能,探討了吸附時間、吸附劑的用量及溶液的pH值等對氟離子吸附量及去除率的影響；揭示了鎂鋁水滑石及其焙燒產(chǎn)物對氟離子吸附的熱力學(xué)及動力學(xué)特性。再生實驗表明納米水滑石材料具有良好的重復(fù)使用性能。 5.納米吸附材料吸附氟離子的機理研究：經(jīng)綜合分析,我們認為納米材料吸附氟離子經(jīng)歷三個過程：溶液中氟離子的擴散、氟離子在吸附劑表面吸附和氟離子與吸附劑活性基團的離子交換。并分別采用離子傳輸模型,吸附熱動力學(xué)模型以及吸附劑表面的離子交換機理對其進行描述。同時,結(jié)合材料分析手段對鑭-硅復(fù)合介孔材料、介孔氧化鋁和鎂鋁水滑石吸附氟離子的機理進行了討論。
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：X703

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本文編號：2670009