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地氟病是一种世界性的地方病,主要发生在依赖高氟水作为饮用水的地区,严重威胁着人类的健康。本论文用高岭石、蒙脱石以及合成的阴离子粘土-Mg/Al-CO3型水滑石(HT)及其煅烧产物(HTC)作为吸附剂,进行一系列的实验,来探讨这些材料降低氟浓度的有效性。结果表明,无论是天然粘土还是合成粘土,其吸附氟化物的量都随着样品用量的增大而增加,而降氟率随着含氟溶液浓度的提高而降低。
影响氟化物吸附的主要因素是溶液的pH值。各种材料的吸附能力与溶液的pH值都呈现显著的负相关关系。在酸性条件下,吸氟量较大,降氟率较高;随着pH值的增大,其吸氟能力逐步降低;而在中性-碱性条件下,高岭石、蒙脱石基本不具有吸氟能力,而水滑石的煅烧产物HTC仍然具有较好的降氟性能。
对于水滑石(HT)来讲,其结晶度也是影响其吸附性能的重要因素。HT、HT80和。HT130的XRD的模式显示在0.7840和0.3900 nm处存在尖锐并对称的的特征峰。对比结果显示FWHM随着热老化温度的升高而减小,证实了样品的结晶度和温度之间的正相关关系。而样品的结晶度越高,其降氟的效率越低。
HTC130的BET比表面积测定值为413.46m2/g,远远高于其它研究所测定的120℃和140℃热老化而未煅烧的原始样品的值(80~90 m2/g),推测是因为样品在煅烧过程中CO32-转化为CO2导致孔隙结构发育所致,导致更多的F-进入层间,增加与HTC表面的接触,这也可能是HTC130具有较强的降氟性能的一个因素。煅烧引起的HT发生去羟基、去碳酸盐化作用以及混合Mg/Al氧化物的形成,导致物质的表面积和孔隙度增大,这将有利于HT层状结构的重建和氟的吸附。
同时,HTC吸附氟化物的性能远高于它们的母体物质HT,说明煅烧作用增强了水滑石的降氟性能。使用HT作为吸附剂,去氟效率相当低,在pH值为7的条件下,对于初始浓度为5mg/L的含氟溶液,其去氟效率只能达到33.8%,吸附过程结束时的最终浓度为3.31mg/L。而对于HTC130而言,其降氟率达到82.3%,吸附结束时的溶液浓度降低到为0.88mg/L,这一浓度低于1.0 mg/L,适于人类饮用。
根据水热处理的温度,HT与HTC吸附氟表现出相反的趋势。HTC的降氟率随其母体合成时温度的升高而增加,而HT的降氟率随着其合成时温度的升高而降低。本研究最有效的除氟剂HTC130(在130℃水热条件下合成的HT经煅烧而成的产物)的降氟率则与溶液的初始浓度呈现负相关关系。
以HTC130作为吸附剂进行的吸附平衡实验表明,15分钟内反应快速达到最高值并保持,说明这一反应能快速达到平衡。pH值为7时,HTC130的吸附等温线服从线性方程,而不服从Langmuir方程,此时K值为0.46。实验中HTC130可以将初始浓度5mg/L的含氟溶液的浓度降低到1.0mg/L以下,因此这种材料用于降氟是非常有潜力的。
由于天然粘土与阴离子粘土的特性,高岭石和蒙脱石的吸附作用主要是电荷吸附所致,而水滑石的吸附主要通过离子交换吸附进行。高岭石和蒙脱石吸附氟主要是由于体系pH值降低,其表面带正电荷而吸附F-离子,同时,随着溶液浓度的提高,体系(电势减小,发生絮凝作用,携带F-离子沉淀下来可能也是天然粘土吸附水中氟化物的一个原因。水滑石及其煅烧产物的降氟作用主要通过溶液中的F-交换晶格中的OH-而实现。