高度有序介孔氧化铝对于砷和氟极好吸附去除性能的研究外文翻译资料

 2022-12-07 16:11:38

英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

高度有序介孔氧化铝对于砷和氟极好吸附去除性能的研究

Wei Li a,b , Chang-Yan Cao a , Ling-Yan Wu a,b , Mao-Fa Ge a , Wei-Guo Song a,lowast;

a分子纳米结构与纳米技术重点实验室、化学研究所、北京分子科学国家实验室(BNLMS)，中国科学院，北京100190，中国

b中国科学院研究生院，北京100049，中国

关键字：介孔氧化铝，氟化物，砷，吸附，水处理

摘要：

本文通过一种简单可再生的方法合成高度有序的介孔氧化铝以及掺杂钙离子的铝氧化物。我们对这两种吸附剂除氟性能进行了研究，包括吸附等温线、吸附动力学以及PH值和共存离子对除氟的影响。这些材料均表现出对氟离子的强亲和力和极高的除氟性能，最高的除氟容量可达到450mg/g。并且这些材料还表现出极好的的砷去除能力。在PH值为7时，1g的介孔氧化铝可以处理200kg的含砷污水，经吸附污水中砷浓度可从100ppb降至1ppb。

  1. 引言

长期摄入被氟污染的水会导致氟斑牙和氟骨症的产生[1,2]，而摄入砷污染的水会导致砷中毒，各种类型的癌症和黑脚病[3,4]。世界卫生组织(世卫组织)规定的饮用水中氟含量应小于1.5mg/L[2]，砷含量小于0.01mg/L[5]。然而在中国、印度、孟加拉地区、非洲中部、美国和南美这些地区的地下水中，氟化物及砷的浓度均超过世界卫生组织规定的饮用水中的最高值，威胁着数百万人的身体健康[6]。

现已存在很多除砷除氟的方法[3,7]，包括化学沉淀法[8-13]、离子交换法[14,15]、离子交换膜法[16-19]、吸附法[1,2,20,21]，唐南透析法[22,23]和电渗析法[24]。不同的去除技术可能适用于不同居民人口、电力供应和资金等条件。这些方法中，因为吸附技术方法简单并且成本低而被广泛使用。其他技术需要复杂的装置，然而最简单的吸附单元可能只需要一个过滤器，这使它适合家用或村庄使用的小型水处理单元。现已经存在大量吸附砷氟的材料，如活性氧化铝[25-27]、活性炭[28]、羟基磷灰石[20,29]、明矾[30]、石灰[31]、红泥[32]、骨碳[33]、稀土氧化物[34]、含水氧化铁[35,36]、Mg/Al层状双氢氧化物[37,38]和沸石[39]等。然而大多数的吸附剂在处理情况复杂的地下水时除氟去砷的能力较低。研究出一种对于砷和氟都有很好吸附性能的吸附剂，这仍然是一个挑战。

多孔材料被广泛发现与应用是因为它具有很高的吸附性能[40,41]。较高的比表面积、密集的孔隙分布以及高度有序的孔隙对于去除砷氟是良好的特性。商业用于去除饮用水中的砷和氟常用的材料是活性氧化铝，这是因为活性氧化铝可以进行大规模生产，并且对于砷和氟有较高的亲和力以及选择性吸附能力。活性氧化铝的除氟量可达到7.6mg/g[25]，除砷吸附量达到9mg/g[26]。介孔氧化铝是一种新型的多孔氧化铝。Lee等人发现介孔氧化铝对氟的吸附容量是14.3mg/g[2]。Kim等人[41]用类似的方法制备介孔氧化铝,它吸附砷（Ⅴ）的最大容量为121mg/g。尽管现有很多对砷吸附效果很好的吸附剂，然而多数这些吸附剂却在较低砷浓度时表现出很低的去除效果，例如500ppb，而含砷地下水中的砷浓度通常是低于500ppb。在这项研究中，我们通过高产率和可再生的方法合成了高度有序的介孔氧化铝和掺杂钙离子的氧化铝，并且研究了它们对砷

和氟的去除性能。这些介孔氧化铝的吸附剂均表现出极好的砷氟去除能力。最好的样品中，掺杂钙离子的介孔氧化铝显示出的最大氟吸附容量为450mg/g，并且有较好的氟离子选择性吸附性能。此外，在较低的砷初始浓度溶液中（即100ppb），这些高度有序的介孔氧化铝表现出优越的砷去除能力。1g的介孔氧化铝吸附剂可以处理200kg的含砷污水，将污水中的砷浓度从100ppb降至1ppb，这意味着在实际应用中最大的砷去除容量为20mg/g。

  1. 实验方法

2.1试剂与材料

普朗尼克P123（Mav = 5800）和亚砷酸钠（NaAsO2）均购自阿德里奇化学。异丙醇铝（含量ge;98），四水合硝酸钙和七水合砷酸氢钠均购自阿法埃莎。无水乙醇和硝酸购自北京化学试剂。氟化钠（美国化学学会级gt;99%）购自Acros Organic。所有使用的试剂均为一般标准试剂。所有实验用水均为超纯水系统提供的超纯水（Millipore公司，贝德福德，马萨诸塞）。

2.2吸附剂的合成

高度有序的介孔氧化铝和复合材料是由嵌段共聚物作为软模板通过溶胶-凝胶法合成[42-44]。在合成过程中，将2g的嵌段共聚物普朗尼克P123在40ml的无水乙醇中室温搅拌2h溶解。然后在溶液中加入3.2mL的67%硝酸和4.08g（20mmol）的异丙醇铝进行搅拌混匀。最后在静态空气条件下，于60℃下将溶剂蒸发48h。得到的样品粉末分别在400℃或900℃空气煅烧4h。有序介孔氧化铝和氧化钙复合材料均通过上述方法合成，复合材料通过向混合物中加入大量所需的硝酸钙制得。复合材料样品标记为不同的Ca负载量以及其他合成条件（如温度）。

2.3批量吸附实验

所有的批量吸附砷和氟的实验均在室温（298K）的聚乙烯管（PE）中进行。准备1000mg/L的氟储备液，然后稀释至所需浓度。氟储备液的初始PH固定为6.5。然后添加0.01g的吸附剂样品至100mL的上述含氟溶液中，溶液放置在一个150mL的被PE膜覆盖的PE塑料烧杯中。在速度为300rpm下进行定时搅拌，然后立即将溶液通过0.22mu;m的注射器式过滤器（微孔滤膜）。滤液中氟浓度通过离子色谱法测定。批量吸附的方法是除氟的突破性研究。溶液初始氟浓度为5mg/L，PH值为6.5。在实验中，1.0g的吸附剂分别加入1L至20L之间的含氟溶液中在300rpm下搅拌。搅拌12h之后，不同体积的平衡氟浓度经测量可以得到超出世界卫生组织规定的浓度的点。

As（Ⅴ）储备液通过Na2HAsO4·7H2O配制，As（Ⅲ）的储备液通过NaAsO2配制。As（Ⅴ）的初始实验浓度分别为100和200ppb。As（Ⅲ）的初始实验浓度定位100ppb。所有砷溶液的PH值为7plusmn;0.2，不加入任何缓冲溶液进行调整。吸附剂添加量在每个吸附实验中为1.0g。含砷溶液的体积从20L到300L之间，以测定砷平衡浓度的变化。所有的砷吸附实验均在298K下以300rpm的速度搅拌12h，然后通过电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）测定砷的平衡浓度。所有的吸附实验重复三次，并取三次实验的平均值进行记录。

2.4吸附剂表征

样本的微观特性我们通过投射电子显微镜了解（TEM,FEI Tecnai F20）。X光谱衍射仪（XRD）以及小角度XRD扫描的数值通过Rigaku D/max-2500铜基米-雷克南辐射（=0.1542nm）衍射计在40kv，200mA下测得。XPS的分析，我们利用Kratos AXIS 165光电子能谱仪测定。氮气吸脱附以及吸附等温线在78.3K下通过Quantachome 1分析仪测定。在测定3h之前，所有的样品都要经过200℃真空排气。能量色散X射线分析仪（EDXA）利用能量色散X涉嫌光谱探测器（Oxford INCA）测量。氟化物的浓度测定通过配备Dionex为14A的分析柱和DS5电导检测器的离子色谱法（IC Dionex ICS-900）。洗脱剂为3.5mM的Na2CO3和NaHCO3混合溶液，其流速为1 mL minminus;1。样品的注射体积为10 L。操作温度为298 K。As和Al的浓度通过电感耦合等离子体原子发射光谱法测定（ICP-AES法测定铝，岛津icpe-9000）。

  1. 结果与讨论

3.1吸附剂的表征

如图1所示，TEM图像中可确认在所有样品中均存在高度有序以及均匀分布的六角形排列的对称p6mm孔隙[43]。由图1a和b分别所示，样品meso-al-400的圆柱孔的开口延[110]方向，六边形孔开口延[001]方向。图1c显示Ca掺杂介孔氧化铝（meso-al-10ca-400）也具有类似的孔道网络和高度统一的介孔。meso-al-900样品的TEM图像（图1d）表明有序介孔结构在900◦C煅烧后形成。更多的TEM（图1A、B在补充材料）显示其他样品也有相似高度有序的孔隙网络。

这些样品的X射线衍射图像（图2a）表明，介孔氧化铝和Ca掺杂氧化铝在400◦C煅烧组成的无定形的结构，在900◦C进一步煅烧时它可以转化为Al2O3相态（JCPDS Card No. 10-0425）。焙烧的样品在400◦C小角XRD（图2a的插图）确认形成相对有序介孔。meso-al-400显示样品衍射峰在1.2°左右，样品meso-al-10ca-400的衍射峰移到1.4°左右。X射线光电子能谱（XPS，图2显示补充材料）证实了样本meso-al-10ca-400钙的存在。这表明在347.5 eV的结合能2P钙的峰值，这与能谱分析结果一致（图S3在补充材料）。氮气吸附脱附等温线–不同介孔氧化铝和Ca掺杂氧化铝示于图2B、C等温线H1型迟滞回线的IV型曲线。表1总结了brumauer–埃米特–特勒（BET）的比表面积、孔径和孔体积的介孔氧化铝和Ca掺杂氧化铝。大的比表面积（即吸附位点的密度高），在这些样品中明确渠道均匀的介孔结构将提高水处理的吸附能力。

图1.（a）和（b）meso-Al-400的TEM电镜图像分别取[110]和[001]方向。（1A快速傅里叶变换的插图（FFT）衍射图）；（c）为meso-al-10ca-400 TEM图像延[110]方向；（d）沿[110]定位的meso-al-900 TEM图像（插图是一维FFT图）

这些制备的吸附剂的零电荷点PH值（pHZPC）在补充材料表S1上显示。水溶液的PH值对吸附性能的吸附剂的表面电荷起着重要的作用。基于对吸附剂的吸附试验pHzpc值，初始pH值为6.5和7之间。该吸附剂在该PH值范围内的正电荷，有利于阴离子的吸附。

3.2氟的吸附动力学和吸附平衡等温线

图3a显示所制备的meso-al-400样品对氟离子的吸附率，当0.01g meso-al-400样品中加入100ml的初始浓度为10mg Lminus;1氟离子溶液。吸附过程中最快的过程为第一个60分钟，并在平衡后5小时，以确保是达到吸附平衡，12h是固定的吸附时间，为进一步吸附研究。在10 ppm的初始氟浓度时，氟离子的去除量为39 mg/g。本除氟容量在相对较低的初始浓度为10 ppm的报道结果显著高于活性氧化铝、羟基磷灰石、石灰或骨炭[1,2,25,33,34,45]。

为了进一步研究吸附过程，得到初始氟浓度范围从2到1000mg/L的吸附等温线。图3b显示各种样品DUI 氟离子的吸附等温线，包括高度有序介孔氧化铝和Ca掺杂氧化铝。

现已有几个模型已用来描述吸附等温线的实验数据[46,47]。其中，朗格缪尔[48]和Freundlich模型[49]是最常用的吸附分析。朗格缪尔模型可以描述如下[48]：

其中CE是氟离子平衡浓度（mg/Lminus;1），QE是吸附的单位吸附量在平衡含量（mg/g），QM（mg/g）的最大吸附容量相应完整的单层覆盖和B是能源相关的平衡常数。

Freundlich模型对非均匀表面吸附的实证描述[49]。Freundlich方程描述如下：

其中CE是氟离子平衡浓度（mg/Lminus;1），QE是吸附的单位吸附量在平衡含量（mg/g），KF是经验常数（L mgminus;1）和N是吸附强度相关的经验参数。

meso-al-400，meso-al-900，meso-al-5ca-400对氟离子的充分吸附等温线，meso-al-10ca-400不能与朗格缪尔或Freundlich在氟浓度的全宽范围内的模型拟合。然而，随着氟浓度低于150mg/L，实验数据能够很好地符合朗格缪尔吸附等温线。在图3b中的插图所示，这些结果表明，氟离子的去除可能是由于单层吸附到带正电的表面吸附剂在较低的初始氟离子浓度（低于150 ppm）。

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[31571]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章