1、 化学工程与装备 2023 年 第 2 期 4 Chemical Engineering&Equipment 2023 年 2 月 铝改性活性炭去除水中氟离子效果研究铝改性活性炭去除水中氟离子效果研究 许俊超1,2,3,4，林奕龙5，吴春山1,2,3,4，郑育毅1,2,3,4（1环境与资源学院、碳中和现代产业学院；2福建师范大学环境科学研究所；3城市废物资源化技术与管理福建省高校工程研究中心；4福建省污染控制与资源循环利用重点实验室；5福州市环境科学研究院，福建 福州 350000）摘 要：摘 要：制备铝改性活性炭，并用于去除水中的氟离子。结果表明，铝改性活性炭的最佳烧制温度为 500；在 2
2、5，F-初始浓度为 10mg/L 时，其最佳的除氟条件为：投加量 4g/L、吸附时间 120min、pH 为 6，该条件下最大吸附量为 5.08mg/g。Langmuir 和 Freundlich 两种模型拟合的相关系数 R2分别为 0.93 和 0.94，这表明铝改性活性炭对氟离子的吸附过程主要为多层吸附。关键词：关键词：活性炭；改性；吸附 基金项目：基金项目：福建省科技厅对外合作项目(2021I0010)；福建省科技厅计划项目(2020N5015)氟是人体生命活动中必需的微量元素之一，但若氟化物摄入超量容易引起氟牙症、氟骨症等疾病1。我国生活饮用水卫生标准(GB 5749-2006)规定饮
3、用水中氟离子浓度应小于 1.0mg/L2，但部分农村的地下水氟离子浓度处于1.1mg/L15mg/L 之间3。因此，快速有效保障饮用水中氟离子浓度达标，减少饮用水型氟中毒刻不容缓。吸附法具有低成本、易操作、可重复使用等特点，常用于水的除氟。活性炭因其表面积大、孔结构发达、表面官能团丰富，是吸附法去除污染物的最常用材料。然而对于阴离子型水污染物，单独使用活性炭的效果并不理想，有研究发现利用金属氧化物或氢氧化物改性的活性炭可以提高其对氟离子的吸附选择性4。活性氧化铝被认为是最有效的除氟剂之一5。因此，通过探究铝改性活性炭（Al-AC）最佳制备温度，并考察所制得的 Al-AC 在投加量、吸附时间和初
4、始浓度等不同条件下对去除水体中氟化物的性能影响。1 材料与方法 1 材料与方法 1.1 材料 活性炭（AC）为市售所购，NaF、AlCl3、氨水等为西陇科学股份有限公司产品。1.2 铝改性活性炭的制备 将 5g 活性炭（AC）加入 100mL 的 0.3mol/L AlCl3溶液并搅匀，同时用 3 mol/L 氨水将溶液 pH 调至 7，静置沉淀完全后过滤分离，将沉淀物于 100烘箱烘 2 小时，后移入氮气氛炉中烧制，烧制条件：以升温速率 10/min 升温至目标温度，维持 2 小时，后在氮气氛下自然降至室温。取出样品研磨备用，得成品即为铝改性活性炭（Al-AC）。1.3 氟离子吸附实验 1.
5、3.1 投加量对氟离子吸附的影响 分别称取 Al-AC0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1g置于50ml锥形瓶，各加入浓度10mg/L的氟溶液 10mL，在 25、搅拌转速 150 r/min 条件下吸附120min，过滤分离后，使用氟离子电极法测量滤液中 F-的浓度。1.3.2 吸附时间对氟离子吸附的影响 取 9 份 Al-AC 各 0.04g，置于 50ml 锥形瓶，分别加入浓度 10mg/L 的氟溶液 10mL，在 25、搅拌转速 150 r/min条件下分别吸附 5、15、30、60、120、180、240、300、360mi
6、n，过滤并测量滤液的 F-浓度。1.3.3 F-初始浓度对氟离子吸附的影响 取 6 份 Al-AC 各 0.04g，置于 50ml 锥形瓶，分别移取F-浓度为 5、10、20、30、40、50mg/L 的氟溶液 10mL 加到上述锥形瓶，在 25、搅拌转速 150 r/min 条件下，吸附120min，过滤并测量滤液的 F-浓度。1.3.4 pH 对氟离子吸附的影响 取 6 份 Al-AC 各 0.04g，置于 50ml 锥形瓶，分别移取10mL、pH 分别为 2、4、6、8、10、12 的 10mg/L 氟溶液到各锥形瓶，在 25、搅拌转速 150 r/min 条件下，吸附120min，过滤
7、并测量滤液的 F-浓度。2 结果与讨论 2 结果与讨论 2.1 AC 和 Al-AC 的除氟性能 图 1 是 AC 和 Al-AC 对 F-的吸附容量。图中明显的可见，Al-AC 对 F-的吸附容量大于 AC，在 25、F-初始浓度为10mg/L、投加量 1g/L、吸附时间 120min 条件时，Al-AC 和AC 对 F-的吸附容量qe分别为 0.951mg/g 和 0.563mg/g，即相同条件下 Al-AC 对 F-的吸附容量比 AC 高 68.9%。DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.02.045 许俊超：铝改性活性炭去除水中氟离子效果研究 5 图 1 AC 和
8、Al-AC 的除氟性能 图 1 AC 和 Al-AC 的除氟性能 2.2 烧制温度对 Al-AC 除氟性能的影响 图 2 为不同烧制温度条件制得的 Al-AC 的除氟性能。由图 2 可知，随烧制温度增加，Al-AC 的吸附容量呈先增大后减小的趋势，当烧制温度 500时 Al-AC 对氟化物的吸附容量最大。这是由于烧制温度过低，不利于金属氢氧化物的分解，会导致形成不完全的孔结构，不利于对氟化物的吸附6。但当烧制温度过高时，会使得金属氧化物颗粒过度结晶和团聚，造成活性炭孔洞的堵塞，使吸附能力降低7。因此，将最佳烧制温度定为 500。图 2 烧制温度对 Al-AC 除氟性能的影响 图 2 烧制温度对
9、 Al-AC 除氟性能的影响 2.3 投加量对 Al-AC 吸附容量的影响 不同投加量下，Al-AC 对氟化物的吸附量的变化与对应除氟效率见图 3。由图 3 所示，随着 Al-AC 投加量的增加，其对溶液中 F-吸附量逐渐减小，然而去除率显著增加。当Al-AC 投加量为 0.04g 时，去除率为 95.4%，之后随着投加量的增加，去除率变化很小，几乎趋于平衡，故认为最佳Al-AC 投加量为 0.04g。图 3 投加量对 Al-AC 吸附量和除氟效率的影响 图 3 投加量对 Al-AC 吸附量和除氟效率的影响 2.4 吸附时间对 Al-AC 除氟性能的影响 由图 4 所示，溶液中 F-的去除率随
10、着吸附时间的增加而显著增加，去除率快速增加的原因是因为在初始阶段在Al-AC 上有大量的吸附位点。当吸附时间达到 120min 时，去除率为 96.5%，进一步延长吸附时间，F-的去除率趋于不变。因此，将最佳吸附时间定为 120min。图 4 吸附时间对 Al-AC 除氟性能的影响 图 4 吸附时间对 Al-AC 除氟性能的影响 2.5 F-初始浓度对 Al-AC 除氟性能的影响 由图 5 所示，随着 F-初始浓度的增加，溶液中 F-去除率展示出先增加后减少的趋向。当 F-初始浓度为 10mg/L 时，F-去除率最大为96.4%，因此将最佳F-初始浓度定为10mg/L。图 5 F图 5 F-初
11、始浓度对 Al-AC 除氟性能的影响 初始浓度对 Al-AC 除氟性能的影响 6 许俊超：铝改性活性炭去除水中氟离子效果研究 2.6 pH 对 Al-AC 除氟性能的影响 由图 6 所示，随着 pH 值的增加，Al-AC 对 F-的去除率展示出先增加后减少的趋势。在 pH 为 6 时，去除率最大为96.6%。当 pH 小于 6 时，去除率低的原因可能是因为 HF 的生成8。值得注意的是，当 pH 大于 10 时，去除率明显减少，可能是因为溶液中的羟基离子与 F-竞争引起，因此离子交换可能是 Al-AC 吸附 F-的重要途径9。图 6 pH 对 Al-AC 除氟性能的影响 图 6 pH 对 Al
12、-AC 除氟性能的影响 2.7 Al-AC 的吸附等温线研究 如图 7 和表 1 所示，在 298K 的条件下，实验数据通过Langmuir 和 Freundlich 两种模型拟合得到的相关系数 R2分别为 0.93 和 0.94，表明 Freundlich 模型更加适用于拟合该吸附过程，Al-AC 对氟化物的吸附过程主要归因于多层吸附10。此外 Langmuir 模型计算得到 Al-AC 对 F-的最大吸附量为 5.08mg/g。图 7 F图 7 F-在 Al-AC 上吸附的等温线模型 在 Al-AC 上吸附的等温线模型 表 1 氟化物在 Al-AC 上的吸附等温线参数 表 1 氟化物在 A
13、l-AC 上的吸附等温线参数 Langmuir Freundlich Sample T(K)KL qm R2 KF n R2 298 1.78 5.08 0.93 2.62 4.62 0.94 3 结 论 3 结 论 通过研究不同因素对 Al-AC 除氟效果的影响，可以得出以下结论：（1）Al-AC 的最佳烧制温度为 500，Al 的掺杂使 AC对氟化物的去除性能提高 68.9%。（2）Al-AC 除氟的最佳条件为：25时，F-初始浓度10mg/L 下，Al-AC 的投加量 4g/L、吸附时间 120min、pH=6。（3）通过研究 Al-AC 的吸附等温线模型发现，在 298K的条件下，Al
14、-AC 对 F-的最大吸附量为 5.08mg/g；Freundlich 模型更加适用于拟合该吸附过程，表明 Al-AC对氟化物的吸附过程主要归因于多层吸附。参考文献 参考文献 1 郑冬冬,张永清.水中氟离子改性活性炭去除效果研究J.食品工业,2015,36(07):133-136.2 王美莲,朱学武,成小翔,等.饮用水电化学和膜分离除氟技术发展与展望J.给水排水,2017,53(11):112-122.3 王敬.高氟饮用水除氟技术研究现状及应用实例J.山西化工,2019,39(03):26-28.4 Bakhta S,Sadaoui Z,Lassi U,et al.Performances o
15、f metals modified activated carbons for fluoride removal from aqueous solutionsJ.Chemical Physics Letters,2020,754:137705.5 Yan L,Gu WS,Zhou N,et al.Preparation and characterization of wheat straw biochar loaded with aluminum/lanthanum hydroxides:a novel adsorbent for removing fluoride from drinking
16、 waterJ.Environmental technology,2021,43(18):2771-2784.6 Zhao W,Chen Y T,Zhang W.Rapid and convenient removal of fluoride by magnetic magnesium-aluminum-lanthanum composite:Synthesis,performance and mechanismJ.Asia-Pacific Journal of Chemical Engineering,2017,12(4):640-650.7 Kabir H,Gupta AK,Debnath D.Synthesis,许俊超：铝改性活性炭去除水中氟离子效果研究 7 optimization and characterization of mesoporous Mg-Al-Fe tri-metal nanocomposite targeting defluoridation:Synergistic interaction of molar ratio and thermal activa
