铝对氟络合吸附的形态调控机制及强化除氟原理

饮用水氟污染是我国重要的水质安全问题。由于缺乏成熟技术，国内外在除氟方面的努力往往难以取得成效，开发高效经济可行的除氟技术是我国当前亟需解决的重要难题。本项目以铝盐与氟的形态作用关系为基础，围绕形态转化过程，综合利用Al-Ferron、27Al-NMR、ESI-MS等表征手段，研究不同形态铝与氟反应过程与作用机制，建立氟存在下铝形态转化模式，阐明颗粒态氟生成的微界面机制和形态转化的调控方法；以富含羟基、具有特殊表面电位的复合金属氧化物为基础，研究构建基于微界面过程强化的铝形态转化和颗粒态氟生成调控方法，建立铝氟络合吸附过程协同的除氟技术原理及反应器模式。本项目将为饮用水除氟技术的原始创新与突破提供科学依据和基础性支持。

地下水源氟污染是重要的饮用水质安全问题，在我国北方地区和世界上许多国家都比较普遍。混凝和吸附是常用的除氟方法，但是混凝、吸附过程中除氟过程与机理的研究仍显不足，尤其对混凝剂和吸附剂与氟的形态相互作用关系、混凝与吸附过程中铝和氟的形态转化过程研究较少。. 首先建立了游离态氟、络合态氟的定量分析方法，确定了除氟过程中不同形态氟的浓度与比例变化规律，并研究了铝氟络合对混凝过程除氟效果的影响。降低pH值或提高F-浓度均有利于铝氟络合反应的发生，但是，铝氟络合比例过高时也可能导致铝离子溶出或残留铝浓度加大。. 进一步研究了不同pH值和F-浓度下F-与不同形态铝盐之间的相互作用，探索了F-存在对铝形态转化规律的影响，进而探讨不同铝系絮凝剂（AlCl3、PAC和Al13）除氟效果的差异。研究显示，三种絮凝剂除氟的最佳pH范围为6~7，且在该条件下絮凝剂之间没有显著差别。对比而言，具有丰富铝形态的PACl使得混凝除氟过程中具有电中和，离子交换，络合沉降和网络卷扫等多种作用机制，保证了聚合态絮凝剂在不同条件下的稳定除氟效果。. 在不同pH值和煅烧温度下合成制备了五种不同类型的氧化铝，进一步对比研究了具有不同铝形态特征与表面特性的活性氧化铝的除氟性能与机理。氧化铝的吸附行为与氧化铝的类型和实验条件有关。活性氧化铝除氟不仅仅通过离子交换作用得以实现，而静电吸引和化学吸附也是重要的除氟作用。进一步的研究表明，氧化铝类型及其表面酸碱性等表面特性对氧化铝吸附和离子交换除氟过程有重要影响。. 以铝盐除氟过程为基础，研究了铝盐混凝和in-situ Al2O3·xH2O吸附除氟性能与机制。研究显示，铝盐混凝除氟效果优于in-situ Al2O3·xH2O吸附，实现某实际高氟地下水达标的铝投量分别为30和160 mg/L，且最佳pH范围均为6-7。在混凝除氟过程中铝盐水解消耗水中碱度，并发生了自由态氟向络合态氟的转化，且提高铝投量可促进络合态氟的形成。现场中试结果表明，铝盐混凝除氟优于in-situ Al2O3·xH2O吸附，氟达标的平衡吸附量分别为85.2和25.1 mg F/g Al；铝氟络合体生成对于混凝除氟表现出更佳的除氟性能具有重要作用，为进一步工业化除氟提供相关参数。