铝锆改性生物炭对水体低浓度氟吸附技术

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。