活性氧化铝在环境科学中的应用

活性氧化铝在环境科学中的应用李国东（华南师范大学化学与环境学院环境科学专业02级（2）班，022424429，广州，510006）摘要：介绍活性氧化铝的性质、制备，并讲述其在环境科学中的应用，尤其是对含氟废水的处理进行了比较详细的介绍。关键词：活性氧化铝含氟废水应用前言污染废水处理技术中，吸附法具有操作简单、选择性高、净化度高的优点。固体吸附剂有很多种，有活性炭、硅藻土、吸附树脂等。它们都各有特点，各有用途。本文主要介绍活性氧化铝在环境中的应用。1介绍活性氧化铝1.1活性氧化铝的种类与特点氧化铝是一种多孔性,高分散度的固体物料,比表面积大,并且微孔表面具有吸附能力。活性氧化铝呈白色或微红色球状，不溶于水及有机溶剂，但能溶于强酸、强碱、无臭、无味、无毒。在空气中有吸湿现象，吸水后不胀、不裂、保持原状。是一种多孔性高分散度的固体物料，有很大的比表面，其微孔表面具有吸附功能。就分子式Al2O3而言，它似乎是一种简单的氧化物，但是当考虑到空间因素时，却发现它是一种形态变化复杂的物质。到目前为止，已经发现χ、η、γ、δ、κ、θ、ρ及α-Al2O3等8种以上的形态，不仅不同的形态之间，即使同一形态其宏观结构性质(密度、孔隙率、孔径分布、比表面积等)也依其来源而大不相同。关于活性氧化铝的吸附性能，粉末活性氧化铝都是孔体积为300-800mm3/g，表面积为100～300m2/g的γ-A1203，孔径主要在中孔范围内，在与水溶液接触时主要被经基基团覆盖，弱的有机酸主要通过配合基体交换机制与其结合。1.2活性氧化铝的制备方法活性氧化铝作吸附剂吸附过滤活性氧化铝系用氧化铝的水化物经400℃~600℃灼烧而成，或用一般的氧化铝投加碱性金属离子在400℃~500℃下燃烧成白色颗粒状多孔吸附剂。该法作用机理是：氟被吸附在吸附剂表面生成难溶氟化物，同时吸附剂上的SO42–可交换水中F-及HCO3ˉ等其他阴离子。吸附剂可放于滤池中，厚度一般采用700~1000mm，粒径0.5~2.5mm，过滤速度1.5~2.5m/n，承托层采用卵石，厚400~700mm，加酸调节原水pH至5.5~6.5。采用小颗粒活性氧化铝（比表面积大）可以提高去氟效果，降低制水成本。当吸附剂除氟能力达不到标准时，可将硫酸铝配制成1%~2%的溶液，以0.6m/n流速通过滤柱6~8min（需用量约为除氟量的60倍）使其再生，之后重复使用。该法除氟能力强，为去除氟化物等多种无机离子的最佳技术。［1］2活性氧化铝在处理含氟水中的应用2.1高氟水的毒害据统计，目前我国约有7700多万长期饮用高氟水。医学研究表明：长期饮用高氟水会导致氟中毒，严重的氟中毒病人将丧失劳动能力，给家庭和社会造成沉重的负担。［2］氟是人体内重要的微量元素之一，氟化物与人体生命活动及牙齿、骨胳组织代谢密切相关。国内、外学者报道长期过量摄入氟化物可引起氟中毒。在我国，氟骨症流行的地区分布相当广泛，无论城市或乡村、山地或平原、沿海或内地，都有氟骨症流行的报道。另外，随着社会工业化的迅速发展，环境污染有成了氟骨症流行的病因之一。自然界中广泛存在着氟化物，与氟骨症关系较大的是溶解在饮用水中的氟化物，高氟地区水中氟浓度高，容易引起氟骨症的流行。通常认为，引起氟骨症的氟主要来源是：饮水和环境中的氟化物，尤其是被污染环境中的水、空气；高氟食物等。因此，联合国卫生组织规定饮水氟含量的卫生学标准的下限为0.5～1.0×10-6，上限为1.5～1.7×10-4，我国提出的居民饮水氟卫生标准为0.5～1.0-6，高于1.0×10-6则可能造成高氟带来的病损。2.2除氟原理活性氧化铝作为常规除氟剂对氟有很强的去除能力和选择性。在Peri等人的模型中指出,表面干燥的氧化铝表面分两层包含氧离子与铝离子。其中第一层的氧离子与第二层铝离子相接,而含量为其的一半,因此,有一半的铝离子暴露在表面上;而第二层的氧离子数符合Al2O3的Al/O比。脱水时,第二层上连接的相邻氢氧根离子脱去一分子的水。2/3的OH-被脱去后,残留一个OH-和一个暴露的铝离子。该铝离子与三个氧离子相连,可以吸附水,氨,烃等多电子化合物。因此,以活性氧化铝作为吸附剂可以用来吸附在水中存在的氟离子。［3］其反应通式为：[AlxOy(OH)z](OH)(3x-2y-z)+(3x-2y-z)F-→[AlxOy(OH)z]F(3x-2y-z)↓+(3x-2y-z)OH-即F-，通过离散、紊流及分子扩散作用由水体迁移到边界层内，而后由分子扩散到颗粒表面及孔隙中去，并与活性氧化铝中的聚合铝发生沉淀反应，同时释放出等量的OH-使水的pH值上升。又因铝、氟化合物的性质与活性氧化铝本身的性质差异，使沉淀物与颗粒本身结合不够紧密，故易在强动力条件下脱落并进入水体，在除氟器中表现为部分脱落被滤床的过滤作用所拦截，使其大部仍留在滤床中。［4］2.3吸附效果的影响因素2.3.1吸附时间与吸附效果各种吸附剂的吸附量均随吸附时间的延长而增加,但在一定时间后,吸附剂的吸附增量均趋于缓慢。2.3.2吸附剂投量与除氟效果吸附剂,其投量越少,吸附越充分,吸附效果越好。因此,采用吸附剂除氟时,应在保证出水合格前提下,结合占地面积、吸附时间、处理规模,并结合再生方式和频率,选择最小的吸附剂用量。2.3.3溶液pH值与除氟效果活性氧化铝在pH7.0左右对F-吸附效果最差;酸性或碱性条件下,其吸附能力均明显提高。［5］2.4活性氧化铝的再生将吸附饱和后的活性氧化铝置入100g/L的硫酸铝溶液中浸泡30h,弃去溶液,用清水洗涤3～5次,每次用水2L。长期使用后的活性氧化铝表面呈黄褐色,除氟效果下降,这是由杂质吸附所致,可用3%盐酸处理1次后,再用上述方法再生。再生活性氧化铝或处理时应注意以下问题：（1）对滤料的第一次再生比较彻底;（2）经过再生的滤料对氟的吸附能力明显下降;（3）长时间不调进水PH值运行除氟罐,不但使滤料提前饱和,而且影响再生后的吸附能力。（4）延长活性氧化铝滤料与强碱再生液的接触时间,能增大氟的洗脱率;（5）延长滤料在酸液中的浸泡时间,能将滤料残留碱液中和更彻底。（6）调节进水PH值在指定范围内(6.5-7.0),不但能提高出水水质,而且延长活性氧化铝滤料的使用周期,更好的发挥滤料的除氟功能。（7）强碱再生活性氧化铝滤料费用高,大量含强碱、强酸废水排放严重污染周围环境;而且再生后滤料运行周期明显缩短。此种再生方法不适宜水厂实际运行。［6］2.5应用采用碳纳米管和硝酸铝制备了碳纳米管负载氧化铝新型除氟材料.X射线衍射检测发现,当焙烧温度低于850℃时,氧化铝为无定形态,当焙烧温度为1050℃时,氧化铝为A形态,扫描电子显微镜观察到碳纳米管与氧化铝均匀掺杂.同时用碳纳米管负载氧化铝复合材料进行水中氟离子的吸附研究,结果表明,该复合材料具有优良的除氟效能.氧化铝负载量为30%、焙烧温度为450℃条件下制备的碳纳米管负载氧化铝复合材料的吸附除氟能力是C2氧化铝的2.0～3.5倍,与IRA2410聚合树脂的吸附除氟能力相当,适宜pH范围为5.0～9.0。［7］总结活性氧化铝是一种多孔性吸附剂，其具有机械强度、物化稳定性、耐高温及抗腐蚀性能。它对含氟废水的处理有着较好的效果。活性氧化铝将在其他领域发挥着一定的作用。参考文献：［1］高利民、李祥舟水处理吸附剂发展现状石化技术2004，11（2）62［2］高建政、李晓春等活性氧化铝除氟研究及应用浙江省地质矿产研究所［3］雅非群、马伟、王刃、赵源天然材料改性吸附剂的制备和除氟研究施工、材料与设备［4］高建政、李晓春等活性氧化铝除氟研究及应用浙江省地质矿产研究所［5］孟紫强、耿红、刘海龙6种吸附材料饮水除氟效果的比较研究中国地方病学杂志第21卷第5期2002年9月［6］成慧梅小型水厂强碱再生活性氧化铝除氟滤料初探内蒙古科技与经济2004年第20期［7］王曙光等碳纳米管负载氧化铝材料的制备及其吸附水中氟离子的研究高等学校化学学报Vol.242003年1月