颗粒状碳酸氧镧去除水体中氟的性能.pdf
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1、CHINESEJOURNALOFAPPLIEDCHEMISTRY2024年2 月297-307应用化学第41卷第2 期D0I:10.19894/j.issn.1000-0518.230319颗粒状碳酸氧镧去除水体中氟的性能张涛1李李思莹!李俊乐!邵思羽1吴传栋2.3凌梅1吕东伟王威2*(哈尔滨工业大学环境学院,哈尔滨150 0 9 0)2(哈尔滨工业大学水资源国家工程研究中心有限公司,哈尔滨150 0 9 0)3(广东粤海水务投资有限公司,深圳518 0 2 1)摘要针对传统吸附剂对氟吸附能力不高的问题,采用氧化镧(La,O,)活化制备颗粒状碳酸氧镧(La,O,CO,)材料。La,0,CO,对
2、氟离子具有很强的吸附性能,在一个较宽的pH值区间(3.0 10.0)内,具有较好的除氟性能,氟离子去除率在9 4.5%9 8.0%。吸附结果表明,La,0,CO,对氟离子的吸附行为遵循Langmuir模型,是吸热过程。25时,其饱和吸附容量达到了2 2.47 mg/g,相较于传统La,0,材料吸附容量提升约5倍。吸附动力学遵循准二级动力学模型,主要为化学吸附。通过NaOH水溶液对La,O,CO,实现了再生,当NaOH浓度为1.0 mol/L时,脱附率可以达到9 0.3%,实现了吸附剂的重复利用。关键词同La,O,CO,;吸附剂;水中除氟;热力学;动力学;再生中图分类号:0 6 43文献标识码:
3、A文章编号:10 0 0-0 518(2 0 2 4)0 2-0 2 9 7-11饮用水中的氟污染逐渐成为一个全球性环境问题,严重威胁人类的生命健康。世界卫生组织(WH O)明确规定饮用水中氟的质量浓度不能超过1.5mg/L2,如果长期过量地摄入氟化物会对人类身体产生破坏性的影响,例如引发氟斑牙、氟骨症和胃肠炎等疾病 3-4,严重时危及生命 5,如何有效地减少、降低饮用水中的氟含量显得十分重要。在常规的除氟方法中,吸附法具有操作流程简便、处理能力高效以及运行稳定的优势,在工程中得到了广泛的应用 6-7 。传统的活性氧化铝、骨炭和沸石等吸附剂在除氟过程中存在吸附容量较低、受pH值影响较大等问题8
4、-9 1。近年来,稀土元素展现出对氟离子具有很强的吸附能力,其中镧元素以对氟离子具有很高的亲和力和较高的生物安全性而被用于改性吸附剂的制备10-14。然而,镧基吸附剂的吸附容量仍急需进一步提高,例如,氧化镧(La,O,)纳米颗粒吸附活性不高,吸附氟离子的活化位点较少,对氟离子的吸附容量往往不超过6 mg/g/12-1。1。为了解决这一问题,本文对La,O,颗粒进行室温活化,在其表面形成羟基,并与CO,结合,制备了碳酸氧镧(La,O,CO,),考察其对水中氟离子的吸附性能和影响因素,并对吸附性能进行评价,研究了吸附机制,探索了再生方法。1实验部分1.1仪器和试剂Quanta200FEG型扫描电子
5、显微镜(SEM,美国FEI公司);DSADVANCE型X射线衍射仪(XRD,德国Bruker公司);ASAP-2020型比表面积与孔结构分析仪(BET,美国QuantaChrome公司);NICOLETiZ10型显微红外光谱仪(MIR,美国ThermoScientific公司);DZS-706A酸碱度测定仪(上海仪电科学仪器股份有限公司);PXSJ-216F型离子计(上海仪电科学仪器股份有限公司);PF-2-01型氟离子电极(上海仪电科学仪器股份有限公司);2 32-0 1型参比电极(上海仪电科学仪器股份有限公司);DGG-90320B型电热恒温鼓风干燥箱(上海森信实验仪器有限公司);THZ-
6、92A型恒温空气振荡器(上海博迅实业有限公司)。氧化镧(La,O,)颗粒(分析纯)购自上海阿拉丁试剂有限公司;氟化钠(分析纯)购自天津科密欧化学2023-10-13收稿;2 0 2 4-0 1-18 接受国家自然科学基金(No.51678181)资助*E-mail:剂298第41卷应用化学试剂有限公司;氢氧化钠、盐酸、碳酸氢钠、氯化钠和硝酸钠等均为分析纯试剂,购自国药集团化学讨有限公司;试验所用水为去离子水,自制。1.2材料的制备将15.0 gLa,0,颗粒材料均匀分散在玻璃平板上,然后将其放置于湿度大于6 0%的空气中,使得La,0,能与空气中的CO,充分接触,然后自然老化30 d,待反应结
7、束后,将样品进行收集,6 0 干燥12 h,得到La,O,CO,1.3吸附性能实验1.3.1投加质量浓度对吸附除氟效果的影响采用静态吸附的方法,La,0,CO,的投加质量浓度为0.1 2.0 g/L,控制初始氟离子质量浓度为10.0 mg/L,溶液pH值为7.0,常温下以150 r/min进行振荡。待吸附达到平衡后,取上清液过滤,以氟离子电极和参比电极为工作电极利用在线离子计测定氟离子质量浓度1.3.2吸附动力学采用静态吸附的方法,La,0,CO,的投加质量浓度为1.0 g/L,控制初始氟离子质量浓度为5.0、10.0和2 0.0 mg/L,溶液pH值为7.0,常温下以150 r/min进行振
8、荡,在不同时间(10、30、12 0、2 40、36 0、7 2 0、1440、2 8 8 0 和432 0 min)取上清液过滤,以氟离子电极和参比电极为工作电极利用在线离子计测定氟离子质量浓度1.3.3吸附等温线与吸附热力学采用静态吸附的方法,La0,CO,的投加质量浓度为1.0 g/L,控制初始氟离子质量浓度为10.0 50.0 mg/L,溶液pH值为7.0,然后将添加了La,0,CO,的混合液放入恒温振荡箱中进行振荡,振动速率150 r/min,调节温度在(2 50.5)(40+0.5)。在吸附过程中,滤出上清液,以氟离子电极和参比电极为工作电极利用在线离子计测定氟离子质量浓度1.3.
9、4pH值对吸附除氟效果的影响采用静态吸附的方法,La,0,CO,的投加质量浓度为1.0 g/L,控制初始氟离子质量浓度为10.0 mg/L,溶液pH值分别调节为3.0 10.0,常温下以150 r/min进行振荡。待吸附达到平衡后,取上清液过滤,以氟离子电极和参比电极为工作电极利用在线离子计测定氟离子质量浓度1.3.5共存阴离子对吸附除氟效果的影响采用静态吸附的方法,La,0,CO,的投加质量浓度为1.0 g/L,控制初始氟离子质量浓度为10.0 mg/L,分别调节溶液共存阴离子(CI-、NO;、SO、PO、H PO、C O 和HCO;)质量浓度为0 10 0.0 mg/L,常温下以150 r
10、/min进行振荡。待吸附达到平衡后,过滤上清液,以氟离子电极和参比电极为工作电极利用在线离子计测定氟离子质量浓度。1.3.6氢氧化钠浓度对材料再生效果的影响采用静态脱附的方法,控制氢氧化钠浓度为0.1 2.0 mol/L,分别对吸附氟离子饱和的La,0,CO,进行洗脱和再生,振动速率150 r/min,调节温度在2 5。待脱附完全后,过滤上清液,以氟离子电极和参比电极为工作电极利用在线离子计测定氟离子质量浓度。1.3.7实际水样的除氟效能采用静态吸附的方法,La,0,CO,的投加质量浓度为1.0 g/L,将其投加到含氟离子质量浓度为4.7 8 mg/L的实际井水中(来自黑龙江省肇东市石坚村,p
11、H=7.6),常温下以150 r/min进行振荡,间隔一定时间取上清液过滤,以氟离子电极和参比电极为工作电极利用在线离子计测定氟离子质量浓度。2结果与讨论2.1材料的表征利用SEM对吸附材料进行形貌表征,结果如图1A所示。可见吸附材料表面较粗糙,具有凸起状颗粒结构。图1B为所得吸附材料的XRD图谱,与XRD标准卡片(PDF48-1113)进行对照,发现所得材料为La,0,CO,晶体。经BET测定La,0,CO,比表面积为34.19 m/g,平均孔径为12 8.6 nm(图2)。299张涛等:颗粒状碳酸氧镧去除水体中氟的性能第2 期B(031)(110)(020)PDF#48-1113La,O,
12、CO,1010203040506070809010020/()图1吸附材料的(A)SEM图和(B)XRD谱图Fig.1(A)SEM image and(B)XRD diagram of adsorption material80(dis),s.,o)/peqiospe Aaueno604020000.20.40.60.81.0Relative pressure(plpo)图2吸附材料的N,吸附/解吸等温线Fig.2N,adsorption/desorption isotherms of adsorption material2.2材料的除氟机制利用SEM对除氟后的La,O,CO,进行表征,结果
13、如图3A所示,可见除氟后La,O,CO,的表面颗粒粒径增大,颗粒感明显增强,这应该是由于La,O,CO,对氟离子的吸附所致。同时,利用MIR对除氟前后的La,O,CO,进行红外光谱分析,结果如图3B所示,可见在La,O,CO,吸附之前,由于CO的伸缩振动而产生B143950434891157BeforeadsorptionAfteradsorption4000350030002500200015001000500a/cm-1图3(A)吸附后La,O,CO,材料的SEM图和(B)吸附前后La,O,CO,材料的MIR谱图Fig.3(A)SEM image of La,O,CO,material a
14、fter adsorption and(B)MIR diagram of La,O,CO,before and after adsorption300第41卷应用化学了1157 和1439 cm的吸收峰,说明该材料中包含了C03。348 9 c m 吸收峰是由羟基收缩振动引起504cm处的窄吸收峰代表La一0 键 13,表明La,O,CO,中含有一定的结合水或者表面羟基。吸附氟离子后,50 4cm处的吸收峰明显弱化,这可能是由于La0H结构中的羟基被氟离子取代,继而使得La0吸收峰弱化,同时氟离子取代La,0,CO,中部分的CO-导致1157 cm处的吸收峰也消失。此外,由于La,O,CO,由
15、室温方法合成,内含有大量羟基(图3B),由于氧的吸电子能力强,羟基中的H端带有一定正电性,致使其能够与氟离子通过路易斯酸碱作用结合,进一步促进氟离子的吸附。2.3吸附性能2.3.1投加质量浓度对吸附除氟效果的影响加人La,O,CO,时,投加质量浓度越大对氟离子的去除效果越好,但其处理费用随投加质量浓度的增大而增大,因此为了提高La,O,CO,的经济性,考察La,O,CO,投加质量浓度变化对除氟效果的影响。如图4所示,随着La,O,CO,投加质量浓度从0.1g/L增加到1.0 g/L,对氟离子的去除效率也相应地大幅度提高,从2 0.15%提高到9 7.50%,继续提高投加质量浓度到2.0 g/L
16、,此时去除率可以提高到9 9.2 0%,但是提升幅度明显变窄。同时,随着投加质量浓度的增加,La,0,CO,对氟离子的吸附量从2 1.2 0 mg/g下降至4.96mg/g。这是由于随着投加质量浓度的增加,La,0,CO,提供的吸附位点相应增多,由于溶液中氟离子的总量是保持不变的,所以会导致去除率提高和吸附量下降的现象15242016(.3.u)/b128400.30.60.91.21.51.82.1p(adsorbent)/(gL-l)图4投加质量浓度对La,O,CO,除氟效果的影响Fig.4The effect of mass concentration of adsorbent on t
17、he defluorination effect of La,O,CO.2.3.2吸附动力学为了进一步研究La,O,CO,吸附氟离子的吸附机理和吸附过程的控制步骤,采用准一级、二级反应动力学模型,拟合实验数据并结合实验结果,深探讨La,O,CO,对氟离子的吸附机制及反应过程中的控制性步骤。准一级动力学方程表示如公式(1)所示:In(q。-q,.)=In q。-k j t(1)准二级动力学方程如公式(2)所示:t1tqk2q9(2)式中,q.为t时刻吸附容量(mg/g),q.为平衡吸附容量(mg/g),k,为一级动力学的速率常数(min-),h,为二级动力学的速率常数(g/(mg mi n)。由
18、表1中的拟合结果可知,针对水中不同的氟离子质量浓度,准二级动力学常数均明显高于准一级动力学常数,这说明La,O,CO,对水中氟离子的吸附过程符合准二级动力学模型。所以说明La,O,CO,对水中氟离子的吸附过程以化学吸附为主 16 。同时,当初始氟离子质量浓度从5.0 mg/L提高到2 0.0 mg/L,准二级动力学的速率系数k,由0.2 0 7 3减至0.0 6 0 9,说明初始氟离子质量浓度越高,达到吸附平衡的时301张涛等:颗粒状碳酸氧镧去除水体中氟的性能第2 期间越长,这结论与实验现象是一致的。图5为不同初始氟离子质量浓度下La,O,CO,吸附过程的准二级动力学曲线,准二级动力学相关系数
19、R达到0.9 9 以上,说明该条件下吸附过程更加符合准二级动力学方程,整个吸附反应为多级控制过程。表1La,O,CO,吸附氟离子的动力学模型(2 5)Table 1Kinetic models for the adsorption of fluoride ions on La,O,CO,material(25)Kinetic modelp(fluoride ions)/(mgL-l)FormulaR25y=-0.00063x+0.47630.882.5Quasi-first-order kinetic model10y=-0.00138x+1.85140.826020y=-0.00058x+2
20、.51900.990 45y=0.2073x+17.16630.996 9Quasi-second-order kinetic model10y=0.0973x+18.88420.993.220y=0.0609x+29.29190.942.410008005mg/L(R2=0.9969)10mg/L(R2=0.9932)20mg/L(R2=0.9424)6004002000010002000300040005000Time/min图5La,O,CO,的准二级动力学曲线拟合Fig.5Quasi-second-order kinetic curve fitting of La,O,CO,2.3.3
21、吸附等温线与吸附热力学温度是影响其吸附性能的关键因素,以La,O,CO,为主要研究对象,利用Langmuir和Freundlich常用的吸附等温模型对其进行模拟。Langmuir模型如式(3所示:P1P(3)qeqobqm式中,p.平衡质量浓度(mg/L),q。为平衡吸附容量(mg/g),b为吸附平衡常数(L/mg),q m为饱和吸附容量(mg/g)。Freundlich模型如式(4)所示:1In q。=In K,+=l n p e(4)n式中,p。为平衡质量浓度(mg/L),q。为平衡吸附容量(mg/g),K,为吸附系数(mg/g),n 为反映吸附强度的常数。如表2 所示,对试验的数据进行吸
22、附模型拟合,Langmuir模型决定系数R均超过了0.9 9 1,明显高于Freundlich模型相关系数,可见,Langmuir模型更适用于该吸附过程。在反应温度从2 5上升到40时,La,0,CO,的饱和吸附容量qm从2 2.47 mg/g上升到2 7.6 4mg/g,表明温度的上升有利于La,0,CO对氟离子的吸附,进而说明在吸附中是吸热过程。图6 为不同温度条件下La,O,CO,对氟离子的Langmuir吸附等温线,说明La,O,CO,对氟离子的吸附主要以单分子层吸附为主 17 。将所制得La,O,CO,与文献中报道的各类除氟材料的吸附容量进行比较,结果如表3所示,可以发现302第41
23、卷应用化学表2不同温度下La,O,CO,的吸附等温线拟合参数Table 2Fitting parameters of adsorption contour line temperature and related subjects of La,O,CO,at different temperaturesLangmuirFreundlichT/Kq./(mgg)b/(Lmgl)R2K/(mggl)R2298.1522.472.380.99113.797.130.862308.1524.812.870.99216.627.200.780313.1527.643.000.99718.356.840.
24、8281.2298.15 K(R2=0.991)1.0308.15K(R2=0.992)313.15K(R2=0.997)0.80.60.40.2051015202530p/(mg:L-l)图6La,O,CO,的Langmuir吸附等温线拟合Fig.6Langmuir adsorption contour line temperature and related subjects fitting of La,O,CO,表3不同除氟剂的吸附容量对比Table 3Comparison of adsorption capacity of different fluoride removal agen
25、tsFluoride removal agentAdsorption capacity/(mggl)Ref.Aluminum hydroxide18.9018Manganese-oxide-coated alumina7.5619Neodymium-modified chitosan22.3820Activatedalumina16.3421Granular ceramic adsorption12.1222Granular zirconium-iron oxide9.8023Meso-structured zirconium phosphate4.2724Granular lanthanum
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