火山岩基多孔陶粒吸附去除地下水中氟的特性和机理研究

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1、火山岩基多孔陶粒吸附去除地下水中氟的特性和机理研究PerformanceandMechanismofFluorideAdsorptionfromAqueousSolutionbyGranularCeramicAdsorbentBasedonNativeVolcanicRocks工程领域：环境工程作者姓名：宋倩指导教师：赵迎新讲师企业导师：刘红磊高级工程师天津大学环境科学与工程学院二零一七年十二月万方数据万方数据万方数据万方数据摘要氟元素与人体健康密切相关，长期摄入过量的氟会导致氟斑牙和氟骨病。饮水通常是人类摄入氟的主要来源，尤其是在地下水或地表水氟化物含量超标的

2、地区。吸附法由于效率高、操作方便、设计简单和成本效益高等优点，被广泛研究并应用于高氟水处理。吸附材料的性能在吸附处理中起到关键作用，因此，开发一种坚固高效、环境适用范围广泛、易固液分离、对氟离子选择性高的吸附剂十分必要。本研究首先根据天然火山岩的除氟率筛选出#5天然火山岩，并对#5天然火山岩的除氟性能和机理进行了探究；然后，以#5天然火山岩为基本骨架，通过添加膨润土、玉米淀粉、硫酸铝，制备了火山岩基多孔陶粒吸附材料；运用单纯形质心设计，以陶粒的氟去除率和陶粒强度为响应，研究了陶粒的各成分对响应的影响作用，并且优化了各成分配比；最后，利用批试验方法并结合表征手段，

3、探讨了多孔陶粒的吸附除氟性能和除氟机理。研究表明，#5天然火山岩对水中氟吸附去除的最佳pH为3.0，1h达到吸附平衡；随着初始氟浓度的增大，#5天然火山岩对氟的吸附量几乎呈线性增加。#5天然火山岩吸附氟的过程符合伪二级动力学和Freundlich吸附等温模型。硫酸铝的添加对陶粒吸附除氟起到重要作用，淀粉对陶粒吸附除氟起到的积极作用，但淀粉比例的增加会降低陶粒的机械强度。陶粒的最佳配比分别为：火山岩0.40、膨润土0.36、玉米淀粉0.14、硫酸铝0.10。火山岩基多孔陶粒表面粗2糙多孔，BET表面积为24.22m/g；中孔体积为主，且主要为呈开放状态的无规则孔。

4、X射线衍射分析结果显示，陶粒主要含有辉石、赤铁矿、石英、Al2O3等晶体。多孔陶粒对溶液pH适应范围较广，在pH=4.0~11.0范围内对溶液中氟离子有较高的去除率。除高浓度碳酸氢根离子外，陶粒除氟几乎不受其他共存阴离子影响。陶粒吸附除氟过程也符合伪二级动力学和Freundlich吸附等温模型。本研究成功开发出高效、对溶液pH不敏感、高选择性的多孔陶粒除氟剂，在地下水高氟水处理中具有应用潜力。关键词：天然火山岩，多孔陶粒，吸附，除氟，单纯形质心设计I万方数据II万方数据ABSTRACTFluorineiscloselyrelatedtohumanhealth,c

5、hronicingestionofhighfluoridecancausedentalandskeletalfluorosis.Drinkingwaterisoftenthemainsourceoffluorideintakebyhumans,especiallyinareaswherefluorideconcentrationsingroundwaterand/orsurfacewaterarehigh.Adsorptionisgenerallyconsideredasanattractiveprocessbecauseofitsefficiency,ease

6、ofoperation,simplicityofdesign,andcost-effective.Adsorptionmaterialsplayakeyroleinadsorptionprocess.Therefore,itisnecessarytodevelopaadsorbentwhichisrobustandeasytoseparatefromwater,havinghighaffinitytofluorideandcanadapttocomplicatedwaterenvironment.Firstly,#5naturalvolcanicrockwasb

7、eenchoosenfromfivedifferentkindsofvolcanicrocksaccordingtothefluorideremovalratio.Fluorideremovalperformanceofthevolcanicrockwassystematicallyevaluatedundervariousoperatingconditions,andthemechanismofdefluoridationbythe#5naturalvolcanicrockwasdiscussed.Secondly,thisstudydevelopedanov

8、elceramicads