发布时间:2025-06-24
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水体氟污染已成为全球性环境问题,传统除氟技术难以满足日益严格的排放标准。铝锆改性生物炭(AZBC)作为一种新型环境功能材料,通过将铝(Al)和锆(Zr)负载于生物炭表面,展现出优异的氟吸附性能,为低浓度含氟废水治理提供了创新解决方案。
一、技术原理与材料特性
AZBC的核心优势在于其独特的"双金属协同效应"。铝以三羟铝石(Al₂O₃·3H₂O)形式负载,通过羟基结构与F⁻进行离子交换;锆则以无定形水合氧化物形式存在,通过表面络合作用捕获F⁻。这种双重作用机制使AZBC兼具静电吸附和化学结合能力,显著提升了氟去除效率。
材料表征显示,改性后的生物炭呈现介孔结构(平均孔径2.118nm),比表面积达643.90m²/g。XPS分析证实表面存在丰富的Al—O和Zr—O基团,这些活性位点为氟离子提供了充足的结合位点。特别值得注意的是,AZBC的零电荷点(pHpzc)升至8.9,使其在宽pH范围内(3.2-8.9)保持稳定的吸附性能。
二、吸附性能与影响因素
实验研究表明,AZBC对氟离子的吸附动力学符合拟二级模型,表明其吸附过程主要受化学吸附控制。在25℃条件下,最大吸附量达8.91mg/g,远高于未改性生物炭的吸附能力。温度升高至45℃时,吸附量可进一步提升至13.76mg/g,显示出良好的温度适应性。
pH值是影响吸附效果的关键因素。当pH<3.2时,F⁻易形成HF分子降低吸附效率;pH>8.9时,OH⁻与F⁻产生竞争吸附。实际应用中,控制pH在4-8范围内可确保最佳去除效果。此外,共存阴离子(如CO₃²⁻)会干扰吸附过程,需通过预处理降低其浓度。
三、工程应用与再生性能
在某工业园区污水处理厂的实测数据显示,投加10g/L的AZBC可使进水氟浓度从3.3mg/L降至0.8mg/L以下,达到《地表水环境质量标准》Ⅲ类水体要求。连续运行试验表明,材料表现出良好的稳定性,5次吸附-解吸循环后仍保持84.1%的吸附能力。
解吸实验采用1mol/L NaOH溶液,可在30分钟内实现氟离子的高效脱附。再生后的AZBC经简单过滤即可重复使用,大幅降低了处理成本。与传统的钙盐沉淀法相比,AZBC技术具有出水水质好、污泥产量少等显著优势。
四、技术挑战与发展方向
当前面临的主要挑战包括:①规模化制备工艺有待优化;②长期运行中的材料稳定性需进一步验证;③与其他水处理技术的集成应用研究不足。未来发展方向应聚焦于:开发低成本制备技术、探索复合材料改性、构建"吸附-再生"循环体系。
铝锆改性生物炭技术为低浓度含氟废水治理提供了高效、环保的新思路。随着材料科学和环境工程的交叉融合,该技术有望在水处理领域发挥更大作用,为实现"双碳"目标贡献力量。
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