活性氧化鋁在環境科學中的應用

摘要：介紹活性氧化鋁的性質、制備，并講述其在環境科學中的應用，尤其是對含氟廢水的處理進行了比較詳細的介紹。

關鍵詞：活性氧化鋁 含氟廢水 應用

前言

污染廢水處理技術中，吸附法具有操作簡單、選擇性高、凈化度高的優點。固體吸附劑有很多種，有活性炭、硅藻土、吸附樹脂等。它們都各有特點，各有用途。本文主要介紹活性氧化鋁在環境中的應用。

1 介紹活性氧化鋁

1.1 活性氧化鋁的種類與特點

氧化鋁是一種多孔性,高分散度的固體物料,比表面積大,并且微孔表面具有吸附能力。

活性氧化鋁呈白色或微紅色球狀，不溶于水及有機溶劑，但能溶于強酸、強堿、無臭、無味、無毒。在空氣中有吸濕現象，吸水后不脹、不裂、保持原狀。是一種多孔性高分散度的固體物料，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，它似乎是一種簡單的氧化物，但是當考慮到空間因素時，卻發現它是一種形態變化復雜的物質。到目前為止，已經發現χ、η、γ、δ、κ、θ、ρ及α-Al2O3等8種以上的形態，不僅不同的形態之間，即使同一形態其宏觀結構性質(密度、孔隙率、孔徑分布、比表面積等)也依其來源而大不相同。關于活性氧化鋁的吸附性能，粉末活性氧化鋁都是孔體積為300-800 mm3/g，表面積為100～300 m2/g的γ-A1203，孔徑主要在中孔范圍內，在與水溶液接觸時主要被經基基團覆蓋，弱的有機酸主要通過配合基體交換機制與其結合。

1.2 活性氧化鋁的制備方法

活性氧化鋁作吸附劑吸附過濾活性氧化鋁系用氧化鋁的水化物經400℃~600℃灼燒而成，或用一般的氧化鋁投加堿性金屬離子在400℃~500℃下燃燒成白色顆粒狀多孔吸附劑。該法作用機理是：氟被吸附在吸附劑表面生成難溶氟化物，同時吸附劑上的SO42–可交換水中F-及HCO3ˉ等其他陰離子。吸附劑可放于濾池中，厚度一般采用700~1000mm，粒徑0.5~2.5mm，過濾速度1.5~2.5m/n，承托層采用卵石，厚400~700mm，加酸調節原水pH 至5.5~6.5。采用小顆粒活性氧化鋁（比表面積大）可以提高去氟效果，降低制水成本。當吸附劑除氟能力達不到標準時，可將硫酸鋁配制成1%~2%的溶液，以0.6m/n 流速通過濾柱6~8min（需用量約為除氟量的60 倍）使其再生，之后重復使用。該法除氟能力強，為去除氟化物等多種無機離子的最佳技術。［1］

2 活性氧化鋁在處理含氟水中的應用

2.1 高氟水的毒害

據統計，目前我國約有7700多萬長期飲用高氟水。醫學研究表明：長期飲用高氟水會導致氟中毒，嚴重的氟中毒病人將喪失勞動能力，給家庭和社會造成沉重的負擔。［2］

氟是人體內重要的微量元素之一，氟化物與人體生命活動及牙齒、骨胳組織代謝密切相關。國內、外學者報道長期過量攝入氟化物可引起氟中毒。在我國，氟骨癥流行的地區分布相當廣泛，無論城市或鄉村、山地或平原、沿海或內地，都有氟骨癥流行的報道。另外，隨著社會工業化的迅速發展，環境污染有成了氟骨癥流行的病因之一。

自然界中廣泛存在著氟化物，與氟骨癥關系較大的是溶解在飲用水中的氟化物，高氟地區水中氟濃度高，容易引起氟骨癥的流行。通常認為，引起氟骨癥的氟主要來源是：飲水和環境中的氟化物，尤其是被污染環境中的水、空氣；高氟食物等。因此，聯合國衛生組織規定飲水氟含量的衛生學標準的下限為0.5～1.0×10-6，上限為1.5～1.7×10-4，我國提出的居民飲水氟衛生標準為0.5～1.0-6，高于1.0×10-6則可能造成高氟帶來的病損。

2.2 除氟原理

活性氧化鋁作為常規除氟劑對氟有很強的去除能力和選擇性。在Peri 等人的模型中指出,表面干燥的氧化鋁表面分兩層包含氧離子與鋁離子。其中第一層的氧離子與第二層鋁離子相接,而含量為其的一半,因此,有一半的鋁離子暴露在表面上;而第二層的氧離子數符合Al2O3的Al/O 比。脫水時,第二層上連接的相鄰氫氧根離子脫去一分子的水。2/3的OH-被脫去后,殘留一個OH- 和一個暴露的鋁離子。該鋁離子與三個氧離子相連,可以吸附水,氨,烴等多電子化合物 。因此,以活性氧化鋁作為吸附劑可以用來吸附在水中存在的氟離子。［3］

其反應通式為：

[AlxOy(OH)z](OH)(3x-2y-z)+ (3x-2y-z)F-→[AlxOy(OH)z]F(3x-2y-z)↓+ (3x-2y-z)OH-

即F-，通過離散、紊流及分子擴散作用由水體遷移到邊界層內，而后由分子擴散到顆粒表面及孔隙中去，并與活性氧化鋁中的聚合鋁發生沉淀反應，同時釋放出等量的OH-使水的pH值上升。又因鋁、氟化合物的性質與活性氧化鋁本身的性質差異，使沉淀物與顆粒本身結合不夠緊密，故易在強動力條件下脫落并進入水體，在除氟器中表現為部分脫落被濾床的過濾作用所攔截，使其大部仍留在濾床中。［4］

2.3 吸附效果的影響因素

2.3.1 吸附時間與吸附效果

各種吸附劑的吸附量均隨吸附時間的延長而增加,但在一定時間后, 吸附劑的吸附增量均趨于緩慢。

2.3.2 吸附劑投量與除氟效果

吸附劑, 其投量越少, 吸附越充分, 吸附效果越好。因此, 采用吸附劑除氟時, 應在保證出水合格前提下,結合占地面積、吸附時間、處理規模, 并結合再生方式和頻率, 選擇最小的吸附劑用量。

2.3.3 溶液pH值與除氟效果

活性氧化鋁在pH7. 0左右對F-吸附效果最差; 酸性或堿性條件下, 其吸附能力均明顯提高。［5］

2.4 活性氧化鋁的再生

將吸附飽和后的活性氧化鋁置入100 g/ L 的硫酸鋁溶液中浸泡30 h ,棄去溶液,用清水洗滌3～5次,每次用水2 L 。長期使用后的活性氧化鋁表面呈黃褐色,除氟效果下降,這是由雜質吸附所致,可用3 %鹽酸處理1 次后,再用上述方法再生。再生活性氧化鋁或處理時應注意以下問題：

（1）對濾料的第一次再生比較徹底;

（2）經過再生的濾料對氟的吸附能力明顯下降;

（3）長時間不調進水PH 值運行除氟罐, 不但使濾料提前飽和, 而且影響再生后的吸附能力。

（4）延長活性氧化鋁濾料與強堿再生液的接觸時間, 能增大氟的洗脫率;

（5）延長濾料在酸液中的浸泡時間, 能將濾料殘留堿液中和更徹底。

（6）調節進水PH 值在指定范圍內(6. 5- 7. 0) ,不但能提高出水水質, 而且延長活性氧化鋁濾料的使用周期, 更好的發揮濾料的除氟功能。

（7）強堿再生活性氧化鋁濾料費用高, 大量含強堿、強酸廢水排放嚴重污染周圍環境; 而且再生后濾料運行周期明顯縮短。此種再生方法不適宜水廠實際運行。［6］

2.5 應用

采用碳納米管和硝酸鋁制備了碳納米管負載氧化鋁新型除氟材料. X 射線衍射檢測發現, 當焙燒溫度低于850 ℃時, 氧化鋁為無定形態, 當焙燒溫度為1 050 ℃時, 氧化鋁為A形態, 掃描電子顯微鏡觀察到碳納米管與氧化鋁均勻摻雜. 同時用碳納米管負載氧化鋁復合材料進行水中氟離子的吸附研究, 結果表明,該復合材料具有優良的除氟效能. 氧化鋁負載量為30%、焙燒溫度為450 ℃條件下制備的碳納米管負載氧化鋁復合材料的吸附除氟能力是C2氧化鋁的2. 0～ 3. 5 倍, 與IRA 2410 聚合樹脂的吸附除氟能力相當, 適宜pH 范圍為5. 0～ 9. 0。［7］

總結

        活性氧化鋁是一種多孔性吸附劑，其具有機械強度、物化穩定性、耐高溫及抗腐蝕性能。它對含氟廢水的處理有著較好的效果。活性氧化鋁將在其他領域發揮著一定的作用。
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