活性氧化鋁除氟劑的除氟性能研究

發布時間:2020-05-22 14:46:10 星期五
摘要:

通過對經特殊工藝處理的不同粒徑的活性氧化鋁的除氟性能進行研究, 開發實用的除氟劑。方法 模擬A (粒徑2.0 […]

通過對經特殊工藝處理的不同粒徑的活性氧化鋁的除氟性能進行研究, 開發實用的除氟劑。方法 模擬A (粒徑2.0 ~ 3.0 mm)、B (粒徑3.5 ~ 5.5 mm) 樣除氟劑對氟含量為10 mg/ L 的原水進行處理試驗, 研究除氟性能。結果 A 、B 樣除氟劑當流速分別為80 ml/ min 及以下和20 ml/ min 及以下時, 其終端流出水中的氟含量均小于1 mg/ L ;A 、B 樣除氟劑的絕對飽和吸附量分別為1.67 mg/ g 和1.30 mg/ g , 相對飽和吸附量分別為1.57 mg/ g 和0.17 mg/ g 。結論 除氟劑粒徑小、比表面積較大時, 有利于除氟性能的提高。

氟是一種人體必需微量元素, 但攝入過量會導致慢性氟中毒, 出現氟斑牙, 氟骨癥等[ 1] 。我國除上海市外, 其余各省市均有不同程度的地氟病, 分布于1 187 個縣(市、區、旗) 內, 病區人口約3.3 億, 氟斑牙現患4 000 余萬, 氟骨癥現患260余萬[ 2] 。飲水是人體攝氟的主要途徑。自上世紀50 年代以來, 除氟技術取得了一定進展, 特別是活性氧化鋁除氟技術被美國推薦為最佳處理技術(best avai lable technology)[ 3] 。Mastalerz[ 4] 對多種除氟方法進行了比較, 結果以活性氧化鋁的除氟效果最佳。但活性氧化鋁在除氟速率和再生等性能上與實用化還有一定差距。為克服這些缺點, 本課題通過重組催化吸附中心等技術手段對氧化鋁進行了技術改造, 加強了Al-F 的絡合性能[ 5] , 提高了除氟性能, 為實用化奠定了基礎。

1  材料與方法

1.1 除氟劑材料

活性氧化鋁經煅燒、急冷等工藝處理, 制備成粒徑為2.0 ~ 3.0 mm (除氟劑A)和粒徑為3.5 ~5.5 mm (除氟劑B)兩種活化除氟劑。將A 、B兩種除氟劑放入100 g/L 的硫酸鋁(A R 級)溶液中浸泡10 h 后, 用去離子水洗滌3 ~ 5 次, 每次用水2 L 。烘干后備用。

1.2 氟的檢測方法

水中氟含量采用氟離子選擇電極法檢測。氟離子選擇電極系統包括氟離子選擇電極、甘汞電極、及酸度計(PHS-721 型) 等。所用試劑NaF 、NaCl 、KCl 、NaOH 、檸檬酸三鈉、冰醋酸等均為A R 級, 全部用去離子水配制。

本實驗條件下, 在氟含量為0 ~ 20.0 mg/L 范圍內呈現良好線性關系, 其工作曲線為:Y =-55.8X -38.94 , 相關系數r =0.9999 。

1.3  高氟原水

用去離子水配制成氟含量為10 mg/L 水樣,模擬高氟原水備用。

1.4  吸附交換裝置

將活化處理過的活性氧化鋁填充入玻璃吸附柱內, 流經吸附柱的原水流速采用閥門控制, 對不同測試條件下的流出液進行氟含量實時檢測。

2  結果

2.1  吸附劑的除氟速率

考慮到吸附層高度越高, 活性氧化鋁的吸附容量越大[ 5] , 為了比較A 、B 兩種活性氧化鋁的除氟活性, 填充層中活性氧化鋁質量應控制在50 g 左右, 吸附層高度在9 cm 左右(實際填充質量及高度如表1 、2 所示)。

2.2  飽和吸附量的研究

2.2.1  絕對飽和吸附量:取1 g 吸附劑, 將其投入10 mg/ L 的高氟原水500 ml 中, 每隔30 min 用玻璃棒攪拌吸附劑1 次, 4 h 后測量吸附后氟溶液的電位值, 用以下公式求出吸附后溶液的活度(或在標準曲線上直接查出活度值)。已知標準曲線的斜率b =(電位1 -電位2)/ (活度1 -活度2) =-55.8 , 而活度=lg 濃度。直接求出吸附后溶液的濃度, 吸附前后高氟原水的濃度差即為1 g 活性氧化鋁所能吸附的氟的最大量, 也就是絕對飽和吸附量。實際測得除氟劑A 和B 的絕對飽和吸附量分別為1.67 mg/g 和1.30 mg/g 。2.2.2  相對飽和吸附量:將吸附劑填充到內徑R=1.1 cm , 長度為27.0cm 的吸附柱中, 高氟原水10 ml/min 的流速流過吸附柱, 每隔20 min 檢測一次流出液的氟含量。當流出液的濃度為1 mg/L時, 計算吸附劑的相對飽和吸附量。由于流出液的濃度最小為0 , 最大我們控制在1 mg/L , 所以取0.5 mg/ L 作為流出液的平均濃度。實際測得除氟劑A 和B 的相對飽和吸附量分別為1.57 mg/g 和0.17 mg/g 。

3  討論

3.1 吸附劑除氟速率

由于除氟劑A 粒徑較小, 比表面積相對較大,且填充密度也大于除氟劑B 。當高氟原水通過除氟劑時, 除氟劑A 與原水的接觸面積顯著大于除氟劑B , 所以在流速較大(大于50 ml/min)時, 除氟劑A 的除氟效果明顯優于除氟劑B 。速度較低(小于20 ml/min)時, 由于高氟原水在吸附柱停留時間較長, 兩者的除氟效果相差并不是很大??梢? 實際應用時可將除氟劑A 的原水流速控制在小于80 ml/min , 而除氟劑B 的原水流速控制在小于20 ml/min 比較合適。

從表1 和表2 還可以看出, 無論除氟劑A 和除氟劑B , 當原水流速較大時, 其流出液中氟的濃度并不隨流速的增加而同步加大, 這提示在高速除氟設備中, 應選2 段除氟工藝。在第1 段中除掉大劑量的氟, 而在第2 段中, 通過控制原水流速可有效降低終端流出液中的氟濃度。

3.2 飽和吸附量的研究

飽和吸附量分絕對飽和吸附量和相對飽和吸附量。絕對飽和吸附量指將單位質量的活性氧化鋁置入高濃度氟溶液中, 活性氧化鋁所能吸附氟化物的最大質量;而相對飽和吸附量是指將活性氧化鋁填充入吸附柱中, 當流出液的濃度達到1 mg/L 時,活性氧化鋁吸附氟化物的總量。之所以選擇1 mg/L 為吸附飽和時的指標, 是因為我國飲水衛生標準規定飲用水氟濃度不超過1 mg/ L 。當流出液中的氟濃度超過1 mg/L 時, 認為吸附劑不再安全、有效[ 6] 。絕對飽和吸附量可用作評估除氟劑的除氟能力, 而相對飽和吸附量與流速及流出液的氟含量標準有關, 更多用于評價除氟劑的實用性能。

盡管絕對飽和吸附量忽略了吸附速率等問題,但粒徑較小的除氟劑A 樣的絕對飽和吸附量數值仍大于粒徑較大的除氟劑B 樣。這表示吸附反應多發生在除氟劑的外表面, 其內核部分未能發生吸附作用。所以增加比表面積有利于除氟能力的提高。

在吸附柱管徑較小(1.1 cm)時, 由于除氟劑B 樣的粒徑較大, 其堆密度(單位體積內吸附劑質量) 小于除氟劑A , 高氟原水在柱內的停留時間也就相對較短, 與吸附劑的接觸時間不充分, 所以流出液的氟濃度很快就達到1 mg/ L ??梢? 用粒徑較小的除氟劑進行緊密填充有利于原水與除氟劑的接觸時間, 同時也提高了單位體積中除氟劑的絕對用量, 更有利于除氟效果的發揮。該結果對實際運用有很好的指導作用。