水体中的氟污染作为日益严重的全球性环境问题之一,近年来受到了广泛的关注。人体长期饮用氟污染的水可能会引起氟斑齿和氟骨症等一系列氟中毒症状。世界卫生组织规定饮用水中氟化物浓度不得超过1.5 mg/L。去除水中氟化物的方法有多种,其中吸附法由于操作简单、成本较低、去除效果较好等优点,成为最受关注的方法之一。针对目前大部分吸附材料成本较高、环境适应性差等缺点,本研究基于固废循环利用的理念,采用燃煤电厂固废粉煤灰微珠为原料,造纸厂固废白泥为改性剂,制备出了高效、低成本且适用范围较广的白泥改性粉煤灰微珠除氟吸附材料,并通过单因素和响应曲面两种实验方法对于水中氟离子的去除效果以及吸附机理进行了研究。主要结论如下:(1)采用SEM、EDS、BET、XRD和FT-IR等检测方法,对白泥改性粉煤灰微珠吸附材料的表面形态、微观结构、化学组成等进行了分析。SEM和EDS结果表明,白泥的改性破坏了粉煤灰微珠原本的空心微球结构,产生了具有多孔状结构的物质。BET结果表明改性后的材料比表面积增大,平均孔径由大孔变为介孔。XRD和FT-IR分析说明白泥在改性过程中分解并与粉煤灰微珠发生反应生成多孔含钙物质,同时降低了粉煤灰微珠的结晶度,增加了矿物活性,为氟离子的吸附奠定了良好的基础。(2)通过单因素实验考察了投加量、pH和共存离子对白泥改性粉煤灰微珠除氟过程的影响。当初始氟浓度为10mg/L时,材料的适宜投加量为2g/L;当pH在3~7范围内时,材料的除氟效果较好;水中常见共存离子硝酸盐、硫酸盐在0~100mg/L范围内对氟离子的去除影响较小,碳酸氢盐、磷酸盐在较低浓度下对材料的除氟性能影响较小。(3)采用响应曲面法中的CCD实验模型对吸附过程中的4类(污染液浓度、pH、投加量和吸附温度)影响因数进行优化。结果表明,模型显性高,相关系数R~2达到0.99846,可以用于优化白泥改性粉煤灰微珠的除氟过程。模型方差分析结果显示4类影响因数对材料除氟过程影响大小的顺序为:pH>投加量>污染液浓度>吸附温度。通过模型中的期望函数分析显示,当污染液浓度为11mg/L、pH为5、投加量为1.9g/L、吸附温度为27℃时,白泥改性粉煤灰微珠材料的除氟去除率在实验范围内达到理论最大值96.85%。此条件下的实验验证值为95.65%。(4)白泥改性粉煤灰微珠吸附水中氟离子的过程符合Langmuir等温模型和准二级动力学模型,说明材料的吸附过程主要是以单分子层的化学吸附为主,模型所预测的Langmuir最大吸附量为7.37 mg/g。此外,Zeta电位的测定显示,材料表面在较宽的pH范围(2.5~10.3)内带正电荷,有利于氟离子的吸附。吸附前后的表面电荷变化说明了吸附氟离子的过程中,材料表面形成了带负的内层络合物。(5)采用表面络合模型中的广义复合非静电模型对材料的吸附过程进行的研究结果表明,白泥改性粉煤灰微珠吸附剂主要通过配体交换和表面络合的作用形成≡SF和≡SOHF~-两种单齿内层络合物,从而去除水中的氟离子。