改性亞氨基膦酸樹脂的制備與除氟性能研究.pdf

1、氟是一種必需的微量營養(yǎng)元素,是組成人體牙齒、骨骼的主要成分之一,缺少或過量攝入氟,對人體健康都是不利的;當人體長期攝入過量的氟,會導致人體對鈣、磷的代謝出現(xiàn)異常,同時抑制酶的活性,從而導致內分泌系統(tǒng)紊亂,最終引起氟斑牙,氟骨病等疾病,嚴重影響身體健康。隨著人們對人類健康和公共衛(wèi)生的不斷重視,地方性氟中毒越來越受到人們的關注。人體攝入氟的最大來源是飲用水。在水體中,當氟含量大于1.0mg/L時,稱為含氟水,也稱高氟水。我國是水資源較為缺乏

2、的國家,然而氟污染對水資源造成一定的破壞,因此對于含氟水處理方法和材料的研究尤為重要。
　　氟通常以游離態(tài)陰離子F–的形式存在于水中,由于含氟水的病理學限量濃度很低(﹤1.0mg/L),且F–離子溶液化學性質獨特,難以與其他物質發(fā)生作用,致使從含氟水中深度去除微量氟具有極大困難。因此,含氟水處理方法和工藝一直是重要的研究課題。近年來國內外對于含氟水的處理研究已有許多,然而很多除氟方法存在一定的缺陷,如成本較高、試劑消耗較大、處理容

3、量較低、容易造成二次污染、處理材料無法再生使用。因此,制備一種操作簡單、成本低廉、性能穩(wěn)定、效率較高、能夠應用于實際生產的新型除氟材料和除氟工藝,對于目前飲用水除氟問題的研究而言有著十分重大的意義。
　　目前,對于含氟水處理方法和工藝的研究仍然存在原理上的困難,使得關于含氟水降氟處理的研究方法未得到實際的應用。本研究依據氟離子的配位化學性質,即F–離子在水溶液中與金屬離子能夠形成穩(wěn)定性極高的配合物。提出了一種新的含氟水處理方法。本

4、文以亞氨基膦酸樹脂為骨架材料,將Al3+、ZrO2+兩種金屬或金屬酰離子螯合在樹脂的亞氨基膦酸基團上,形成配位中心,同時具有配位數不飽和配合物的形態(tài),通過配體交換,配位中心上的配體水可以與水中痕微量的氟(F–)發(fā)生配體交換吸附,最終以固液分離的形式與含氟水分離,從而達到去除水中氟離子的目的。
　　本文的主要研究內容和結果為1.以亞氨基膦酸樹脂螯合基團為骨架,以Al3+、ZrO2+離子為中心離子,通過浸漬螯合過程,得到兩種新型改性亞

5、氨基膦酸樹脂的配體交換除氟材料。實驗考察了改性過程中金屬離子螯合反應的pH值、溫度、反應時間、固液比等條件,分別確定了樹脂改性的最佳條件。鋁改性樹脂的典型條件為pH值為2,溫度為50℃,反應時間為3h,固液比為1:50時,亞氨基膦酸樹脂對Al3+的固載率為51.09％;鋯改性樹脂的典型條件為pH值為1.1,溫度為50℃,反應時間為2h,固液比為1:50時,亞氨基膦酸樹脂對ZrO2+的固載率為36.87%。紅外光譜比較分析證實Al3+、Z

6、rO2+作為中心離子固載在樹脂骨架螯合基團上,構建了配體交換中心,得到兩種改性樹脂配體交換除氟材料。
　　2.以兩種改性樹脂為除氟材料,根據皮爾孫軟硬酸堿理論,氟離子能夠與螯合在亞氨基膦酸樹脂上的金屬Al3+、ZrO2+離子形成穩(wěn)定的配位化合物。通過除氟實驗分別確定兩種改性除氟材料在除氟反應過程中的最佳條件。除氟性能實驗表明兩種改性樹脂除氟性能優(yōu)良,對氟離子的累積去除率分別可達93.18%、97.81%。尤其鋯螯合改性配體交換樹脂

7、,在5mg/L~40 mg/L濃度范圍的含氟溶液處理過程中,一次除氟率均可達97.81%以上,可使溶液中氟離子濃度達到國家飲用水標準。通過考察多種洗脫劑用于這兩種除氟材料的洗脫效果,以及同一種洗脫劑在不同濃度、不同pH條件下的洗脫效果,最終選取草酸作為兩種除氟材料的洗脫劑,完善了亞氨基膦酸樹脂除氟工藝條件。
　　3.通過對兩種除氟材料除氟過程的吸附熱力學分析,兩種除氟材料對氟離子的吸附過程均符合Freundlich、Langmui

8、r等溫吸附,根據Langmuir吸附等溫式,得到載鋁、鋯兩種配體交換樹脂對 F-離子的飽和吸附量分別為26.667mg·g-1、71.429mg·g-1,并進一步根據吸附動力學實驗計算出兩種配體交換樹脂在吸附 F-離子過程中的阿倫尼烏斯活化能Ea,分別為48.984 KJ·mol-1、144.0707 KJ·mol-1,表明兩種配體交換樹脂對水中F-離子的吸附過程是可以進行的,并且能夠在常溫下進行。
　　綜上所述,制備兩種配體交換