活性氧化铝在环境科学中的应用

污染废水处理技术中，吸附法具有操作简单、选择性高、净化度高的优点。固体吸附剂有很多种，有活性炭、硅藻土、吸附树脂等。它们都各有特点，各有用途。本文主要介绍活性氧化铝在环境中的应用。 1 介绍活性氧化铝  1.1 活性氧化铝的种类与特点  氧化铝是一种多孔性,高分散度的固体物料,比表面积大,并且微孔表面具有吸附能力。 活性氧化铝呈白色或微红色球状，不溶于水及有机溶剂，但能溶于强酸、强碱、无臭、无味、无毒。在空气中有吸湿现象，吸水后不胀、不裂、保持原状。是一种多孔性高分散度的固体物料，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，它似乎是一种简单的氧化物，但是当考虑到空间因素时，却发现它是一种形态变化复杂的物质。到目前为止，已经发现χ、η、γ、δ、κ、θ、ρ及α-Al2O3等8种以上的形态，不仅不同的形态之间，即使同一形态其宏观结构性质(密度、孔隙率、孔径分布、比表面积等)也依其来源而大不相同。关于活性氧化铝的吸附性能，粉末活性氧化铝都是孔体积为300-800 mm3/g，表面积为100～300 m2/g的γ-A1203，孔径主要在中孔范围内，在与水溶液接触时主要被经基基团覆盖，弱的有机酸主要通过配合基体交换机制与其结合。 1.2 活性氧化铝的制备方法  活性氧化铝作吸附剂吸附过滤活性氧化铝系用氧化铝的水化物经400℃~600℃灼烧而成，或用一般的氧化铝投加碱性金属离子在400℃~500℃下燃烧成白色颗粒状多孔吸附剂。该法作用机理是：氟被吸附在吸附剂表面生成难溶氟化物，同时吸附剂上的SO42–可交换水中F-及HCO3ˉ等其他阴离子。吸附剂可放于滤池中，厚度一般采用700~1000mm，粒径0.5~2.5mm，过滤速度1.5~2.5m/n，承托层采用卵石，厚400~700mm，加酸调节原水pH 至5.5~6.5。采用小颗粒活性氧化铝（比表面积大）可以提高去氟效果，降低制水成本。当吸附剂除氟能力达不到标准时，可将硫酸铝配制成1%~2%的溶液，以0.6m/n 流速通过滤柱6~8min（需用量约为除氟量的60 倍）使其再生，之后重复使用。该法除氟能力强，为去除氟化物等多种无机离子的*佳技术。［1］  2 活性氧化铝在处理含氟水中的应用 2.1 高氟水的毒害  据统计，目前我国约有7700多万长期饮用高氟水。医学研究表明：长期饮用高氟水会导致氟中毒，严重的氟中毒病人将丧失劳动能力，给家庭和社会造成沉重的负担。［2］  氟是人体内重要的微量元素之一，氟化物与人体生命活动及牙齿、骨胳组织代谢密切相关。国内、外学者报道长期过量摄入氟化物可引起氟中毒。在我国，氟骨症流行的地区分布相当广泛，无论城市或乡村、山地或平原、沿海或内地，都有氟骨症流行的报道。另外，随着社会工业化的迅速发展，环境污染有成了氟骨症流行的病因之一。 自然界中广泛存在着氟化物，与氟骨症关系较大的是溶解在饮用水中的氟化物，高氟地区水中氟浓度高，容易引起氟骨症的流行。通常认为，引起氟骨症的氟主要来源是：饮水和环境中的氟化物，尤其是被污染环境中的水、空气；高氟食物等。因此，联合国卫生组织规定饮水氟含量的卫生学标准的下限为0.5～1.0×10-6，上限为1.5～1.7×10-4，我国提出的居民饮水氟卫生标准为0.5～1.0-6，高于1.0×10-6则可能造成高氟带来的病损。 2.2 除氟原理  活性氧化铝作为常规除氟剂对氟有很强的去除能力和选择性。在Peri 等人的模型中指出,表面干燥的氧化铝表面分两层包含氧离子与铝离子。其中*层的氧离子与第二层铝离子相接,而含量为其的一半,因此,有一半的铝离子暴露在表面上;而第二层的氧离子数符合Al2O3的Al/O 比。脱水时,第二层上连接的相邻氢氧根离子脱去一分子的水。2/3的OH-被脱去后,残留一个OH- 和一个暴露的铝离子。该铝离子与三个氧离子相连,可以吸附水,氨,烃等多电子化合物。因此,以活性氧化铝作为吸附剂可以用来吸附在水中存在的氟离子。［3］ 其反应通式为：  [AlxOy(OH)z](OH)(3x-2y-z)+ (3x-2y-z)F-→[AlxOy(OH)z]F(3x-2y-z)↓+ (3x-2y-z)OH-  即F-，通过离散、紊流及分子扩散作用由水体迁移到边界层内，而后由分子扩散到颗粒表面及孔隙中去，并与活性氧化铝中的聚合铝发生沉淀反应，同时释放出等量的OH-使水的pH值上升。又因铝、氟化合物的性质与活性氧化铝本身的性质差异，使沉淀物与颗粒本身结合不够紧密，故易在强动力条件下脱落并进入水体，在除氟器中表现为部分脱落被滤床的过滤作用所拦截，使其大部仍留在滤床中。 2.3 吸附效果的影响因素 2.3.1 吸附时间与吸附效果  各种吸附剂的吸附量均随吸附时间的延长而增加,但在一定时间后, 吸附剂的吸附增量均趋于缓慢。  2.3.2 吸附剂投量与除氟效果  吸附剂, 其投量越少, 吸附越充分, 吸附效果越好。因此, 采用吸附剂除氟时, 应在保证出水合格前提下,结合占地面积、吸附时间、处理规模, 并结合再生方式和频率, 选择*小的吸附剂用量。  2.3.3 溶液pH值与除氟效果  活性氧化铝在pH7. 0左右对F-吸附效果*差; 酸性或碱性条件下, 其吸附能力均明显提高。［5］  2.4 活性氧化铝的再生  将吸附饱和后的活性氧化铝置入100 g/ L 的硫酸铝溶液中浸泡30 h ,弃去溶液,用清水洗涤3～5次,每次用水2 L 。长期使用后的活性氧化铝表面呈黄褐色,除氟效果下降,这是由杂质吸附所致,可用3 %盐酸处理1 次后,再用上述方法再生。再生活性氧化铝或处理时应注意以下问题：  （1）对滤料的*次再生比较彻底;  （2）经过再生的滤料对氟的吸附能力明显下降; （3）长时间不调进水PH 值运行除氟罐, 不但使滤料提前饱和, 而且影响再生后的吸附能力。 （4）延长活性氧化铝滤料与强碱再生液的接触时间, 能增大氟的洗脱率; （5）延长滤料在酸液中的浸泡时间, 能将滤料残留碱液中和更彻底。 （6）调节进水PH 值在指定范围内(6. 5- 7. 0) ,不但能提高出水水质, 而且延长活性氧化铝滤料的使用周期, 更好的发挥滤料的除氟功能。 （7）强碱再生活性氧化铝滤料费用高, 大量含强碱、强酸废水排放严重污染周围环境; 而且再生后滤料运行周期明显缩短。此种再生方法不适宜水厂实际运行。总结  活性氧化铝是一种多孔性吸附剂，其具有机械强度、物化稳定性、耐高温及抗腐蚀性能。它对含氟废水的处理有着较好的效果。活性氧化铝将在其他领域发挥着一定的作用。