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氟在阻止人体骨骼及一些器官疾病方面有着重要的作用。然而过量摄入氟会导致牙齿和骨骼疾病。世界卫生组织的标准规定，饮用水中氟离子浓度应不超过1.5mg/L，中国安全饮用水中氟离子浓度规定要小于1.0mg/L。在众多除氟方法中，吸附法因简单、方便而成为应用最广泛的方法之一。然而，现有的吸附剂大多数存在吸附量低、吸附缓慢以及最优pH值范围较窄等问题，虽然价格低廉，但依旧〒限制了它们的应用。因此，研究开发具有较高吸附容量、较快吸附速率以及较宽最优pH值范围的吸附剂成为一个亟待解决的问题。
本文使用简单易行的方法制备了▓锆改性凹凸棒石(Zr-A)和锆/铝/铈体系(Zr-Al-Ce)两种』复合除氟材料。通过大量实验，研究了其制备工艺条件，结合其结构及性能的〓表征，获得了较常规吸附剂具有更好吸附性能的除氟材料。使用XRD、FT-IR、SEM以及EDAX对锆改性凹凸棒石复合材料进行分析。结果表明，改性过程中，凹凸棒石的结构被破∏坏到一定的程度，纳米氧化锆粒子成功进入到凹凸棒石的层间或者表面。Zr-A吸附剂的除氟性能大大优于凹凸棒石原土的▲除氟性能，这主要◣是由Zr-A吸附剂表面电性的改变以及生成大量羟基离子造成的。溶液pH值控↑制了氟离子在固-液界↓面的吸附，因此对氟离子的吸附具有重要意义。氟离子通过离子交换吸附到吸附剂表面。Zr-A吸附剂对氟离子的吸附平衡数据较好地符合Langmuir吸附模型。溶液pH值为4.13，50℃下，按此模型计算出的最大吸附量为24.55mg/g。吸附过程符合准二级动力学模型。磷酸根离子、硫酸根离子以及碳酸氢根离子对吸附氟离子效果具有一定的影响，但是氯离子和硝酸根离子对吸附效果没有◆影响。该材料再生利用六次后，依然具有较◇高的吸附量。吸附及重复利用实验↑表明，Zr-A吸附剂可以成为一种有潜力的饮用水除氟剂⌒　。从实际应用角度出发，对Zr-A吸附剂进行了造粒和固定床吸附实验。Zr-A颗粒吸附剂的最佳制备条件为，粘结剂浓度为10wt.％，热√处理温度为70℃。实Ψ 验结果表明，固定床进水流量越小，穿透吸附量越★大；初始氟离子浓度越大，穿透吸附量●越大。Zr-A颗粒吸附剂经过五次再生和重复利用后，仍具有较好的吸附效果。XRD和ζ电位分析结果表明，Zr-Al-Ce复合材料不是ZrO2、Al2O3和CeO2的简单复合。FT-IR分析表明吸附剂表面的羟基离子参与到了反应中；XPS分析证明，参与反应的羟基离子来自于吸附剂表面与金属相结合的-OH而并非是归属于油酸的C-OH。Zr-Al-Ce吸附剂对氟离子的吸附平衡数据符合Langmuir吸附模型。溶液pH值为6.80±0.20，30℃下，按照Langmuir吸附模型计算出的最大吸附量为250.0mg/g，说明该吸附剂具有很高的吸附容量。热力学研究表明，Zr-Al-Ce吸附剂对氟离子吸附过程为自发、吸热过程。吸附过程符合准二级动力学模型。共存阴离子对Zr-Al-Ce吸附剂除〖氟效果的影响按以下顺序递减，PO43->HCO3->SO42->NO3->Cr。Zr-Al-Ce吸附剂再生利用三次后，依然具有较高的吸附量。吸附和重复利用实验表明，Zr-Al-Ce吸附剂可以成为一种较有潜力的饮用水除氟剂。造粒实验◢表明，Zr-Al-Ce颗粒吸附剂的最佳制备条件为，Zr-Al-Ce和凹凸棒石的质量比为1:2，粘结剂浓度为15wt.％，热处理温度为80℃。固定床吸附实验证明，固定床进水流量越小，穿透吸附量越大；初始氟离子浓度越大，穿透吸附量越大。Zr-Al-Ce颗粒吸附剂经过再生和重复利用后，穿透吸附量只下降了8％，说明所制备的Zr-Al-Ce颗粒吸附剂具有较强的吸附性能，可以成为一种较有潜力的饮用水除氟剂。

    doi：
    10.7666/d.y2098216
    关键词：
    城市供水 饮用水净化 除氟材料 凹凸棒石
    作者：
    贺志丽
    学位授予单位：
    武汉理工大学
    授予学位：
    博士
    学科专业：
    环境工程
    导师姓名：
    张高科
    学位年度：
    2012
    语种：
    中文
    分类号：
    TU991.266
    在线出版日期：
    2012年09月29日