第39卷第11期 环境科学与管理 V01.39 No.11 2014年11月 ENVIR0NMENTAL SCIENCE AND MANAGEM_ENT NOV.2014 文章编号:1674—6139(2014)11—0031—04 水体除氟方法的最新研究进展 郑丹阳 ,耿存珍 , (1.青岛大学环境科学与工程学院,山东青岛266071; 2.山东省海洋生物质纤维材料及纺织品协同创新中心青岛大学,山东青岛266071) 摘要:氟是人体必需的微量元素之一,中国是典型的大面积高氟地区,因此对水体中氟离子的去除研究十分 必要。目前,水体除氟方法主要有离子交换法、吸附法、化学沉淀法等,其中吸附法是应用最广的除氟方法。本 文主要综述了'3前水体中常用的除氟方法及水体除氟方法最新的研究进展,重点分析各种方法所存在的各种 -优势和缺陷,并探究在实际除氟应用中的可行性,指出了今后水体除氟的主要研究方向。 关键词:水体;氟离子;去除方法 中图分类号:X523 文献标志码:A Research Progress for Removing Fluorine from Water Zheng Danyang ,Geng Cunzhen , (1.College of Environmental Science and Engineering,Qingdao University,Qingdao 26607 1,China; 2.Co—Innovation Center for Marine Biomass Fibers,Materials and Textiles of Shandong Province, Qingdao University,Qingdao 266071,China) Abstract:Fluoride is one of the necessary microelement for human body.China is a typical country which has a large area with high fluoride.So it is necessary and urgent to study on the removal of lfuoride ion in water.The mainly methods to remove lfuoride are ion exchange,adsorption,chemical precipitation and SO on.Among them,adsorption has the most extensive applica— tion.The commonly used methods and the latest research progress on removing fluoride from varieties of water were widely summa— rized in present paper.It mainly focused on analyzing the strengths and weaknesses of the various methods,explored its feasibility in the practical applicatlon and pointed out the main research direction of the removal of fluoride in water in the future. Key words:water;fluoride ion;removal methods 氟是人体必需的微量元素之一,适量的氟是人 导致氟斑牙、骨骼变形、腰腿疼痛,严重的可丧失劳 体骨骼、牙齿发育必不可少的,人体对氟的摄入主要 动能力,并可能通过食物链危害人体健康。因此,对 通过饮用水,《国家饮用水卫生标准》规定,饮水中 水体中除氟的研究十分必要。目前,水体除氟方法 的氟含量应小于等于1.0 mg/L。中国是典型的大 主要有离子交换法、吸附法、化学沉淀法等,本文介 面积高氟地区,也是世界上地方性氟中毒危害最严 绍了水体除氟方法的最新研究进展,并对其中的主 重的国家之一。同时,工矿企业排出的含氟废水对 要方法进行了分析。 水环境的污染也十分严重,如果长期饮用高氟水,会 1 几种除氟方法的介绍及研究进展 收稿日期:2014—09—29 基金项目:山东省自然科学基金资助(编号:ZR2013BQ006);青岛大 1.1离子交换法 学201 3年学生研究性学习和创新性实验项目 离子交换法主要是通过离子交换树脂、磺化烟 作者简介:郑丹阳(1992一),女,在校本科生,研究方向:环境污染与 控制。 煤、锯屑等的离子与水中氟离子发生交换作用从而 通讯作者:耿存珍 达到除氟的目的。由于原理简单,学者们很早就对 ・31・ 20l第39卷第11期 4年11月 郑丹阳等・水体除氟方法的最新研究进展 V0l J39 No.11 NOV.2014 该方法展开了研究。1935年英国人B.A.亚当斯和 但是由于一些天然材料的吸附效果并不理想, 一E.L_霍姆斯用苯酚和甲醛合成了有机离子交换树 脂并应用于工业生产过程中。1960年美国的两家 公司合成了兼具离子交换和吸附功能的大孑L树脂, 促进了离子交换法在水处理中的应用。 些学者开始研究将它们改性,改性后它们的孔道 特性会使吸附性能显著增强,除氟率较高,具有很好 的应用潜力:梁鹏等 比较了用混合稀土离子改性 的壳聚糖和只用La¨改性的壳聚糖的除氟能力,实 现阶段主要采用离子交换树脂作为离子交换 验表明,2 h内,两者的除氟量分别为3.72 mg/g和 3.16 mg/g,水中的碳酸盐对于吸附的影响较大。 沸石由于廉价易得、无毒无害,且改性工艺简 剂,因其具有较强的交换吸附能力,可以有效降低氟 的含量。目前常用的是氨基磷酸树脂,它对氟离子 有很强的络合作用,吸附氟的最高量为9.31 mg/L, 去除率大于75%。 目前,学者们也在不断的探究新的技术,探究不 同种类和性质的树脂在水体除氟中的应用。P. Koilraj等…采用了包含Zn/Cr的层状双氢氧化物和 它的聚合物除氟,研究发现这种聚合物的最大除氟 能力为31 mg/g,除氟量大,性质稳定,有很高的扩 散系数。 采用离子交换法可以使氟浓度有效降至1.0 mg/L以下,离子交换剂可以通过再生重复使用,对 于水体的污染较小,应用离子交换法还可以回收有 用的物质继续用于生产中。但是由于目前主要使用 的是阴离子交换树脂,对水中主要阴离子的交换能 力为:SOj一>NO;>C1一>F一,因此,会造成竞争吸 附,影响除氟效果。另外,离子交换树脂的再生工艺 复杂,增加了使用成本。因此在实际中主要是应用 在工业企业的水处理中,并没有大面积的推广。今 后,如何合成交换容量大、成本低、再生简单的离子 交换树脂将成为应用离子交换法除氟取得突破的 关键。 1.2 吸附法 吸附法是利用吸附剂具有高比表面积、易再生 等特性,通过物理、化学等作用吸附水中的氟离子, 从而降低氟含量。 沸石、粉煤灰、矾土等天然材料由于具有多孔 性、化学性质稳定等特点,很早就作为吸附剂应用在 含氟水处理工艺中。Vaishali等 发现柠檬叶可以 作为吸附剂除氟,当氟离子浓度为2 mg/L,pH为2 时,最大吸附量可达70%,该方法成本低,操作简 单,吸附剂易得,有很好的发展前景。 .32. 单,易于操作,成为近年来发展迅速的一种除氟工 艺。几种吸附剂的除氟率参见表1_4 J。 表1 静态除氟对照实验结果 通过表1可以看出,改性沸石的除氟效果明显 优于其他几种吸附剂。离子交换法之所以没有大面 积推广的原因之一是溶液中的共存离子会影响离子 交换树脂的除氟效果,对于沸石而言,董岁明等 J 采用Fe¨改性沸石,并且通过实验证明,改性沸石 有较高的吸附容量且几乎受溶液中绝大部分共存离 子的影响,具有较高的选择吸附性。 虽然学者们已经做了大量的研究,但大多数集 中于沸石的改性方法以及改性沸石的再生等方面, 并且仍处于实验室阶段,沸石作为一种比较新的技 术实际应用在水处理中目前还处于起步阶段。由于 水体成分较为复杂,在实际中沸石除氟的最佳吸附 条件以及再生条件等还需要做大量的研究,但是可 以预言改性沸石是取代传统水处理材料的一种理想 选择,必将得到广泛的应用。 活性氧化铝作为吸附剂是目前国内外研究较为 成熟并成功地应用于含氟水处理的一种有效方法。 龚文新等合成并比较了5种具有不同pH、煅烧温度 和表面性质的氧化铝的除氟能力,发现酸性的氧化 铝具有较高的吸附能力,除氟效果最好,溶液的酸碱 度以及初始氟离子的浓度都会对实验造成影响。 2014年11月 第39卷第11期 郑丹阳等・水体除氟方法的最新研究进展 V01.39 No.1】 近年来也在不断出现新的技术和方法:胶原 纤维是一种天然生物质材料,可以与一些金属离 子形成稳定的配合物,将胶原纤维负载锆有较高 的吸附容量,并且具有很好的吸附选择性;纳米材 料是近年来受到广泛重视的一种新型功能材料, 对许多金属离子具有很强的吸附能力,且吸附容 量大,吸附速率快;M.Karthikeyan等 合成了PA— Ni/Ch和PPy/Ch两种聚合物除氟,实验表明在 50%时。处理10 mg/L的含氟水,这两种材料的除 氟量分别为5.9 mg/g和6.7 mg/g,几乎不会产生 污染。Krishna等 合成了一种Fe¨一A1¨一Cr¨ 三元混合的氧化物用于除氟,pH对除氟效果有较 大的影响,研究发现最适pH在4.0~7.0之间,平 衡时间为1.5 h,0.2 g该种氧化物除氟率可达 80%以上,吸附剂用0.5 mol/L的NaOH再生可以 回收90%,有很好的发展前景。 吸附法的除氟效果好,工艺成熟,设备简单,操 作简便、安全,吸附剂的种类多,对被处理水溶液的 影响小,是目前研究最多的饮用水除氟技术之一。 但是一些吸附剂的费用昂贵,吸附平衡非线性而且 吸附的选择性较差,因此如何提高吸附剂的吸附容 量、吸附速度、再生利用性能以及机械强度,发现或 者合成一种成本低、处理效果好的吸附剂是吸附法 面临的主要问题。不过由于吸附法在处理效果方面 的优势,它仍将继续广泛的应用在水处理中,随着研 究的不断深入,它必定会成为最有前景的除氟技术 之一。 1.3化学沉淀法 化学沉淀法是通过向水中投加沉淀剂,形成氟 化物沉淀或氟化物在生成的沉淀物上共沉淀,通过 沉淀物的固液分离达到氟离子的去除。目前主要有 以下几种方法应用在含氟水处理中: 1.3.1 石灰沉淀法 对于高浓度含氟水,一般采用石灰沉淀法,利用 石灰中的钙离子与氟离子生成氟化钙沉淀而去除氟 离子。由于石灰的溶解度低,很多时候只能以乳状 液投加,生成的氟化钙沉淀包裹在石灰的表面,用量 很大。 由于单一使用石灰作除氟剂,即使pH高达12 NOV.2014 以上,处理后含氟量依旧难以达标,因此,水溶性较 好的钙盐常作为石灰的补充。在处理含氟水时,可 以选用CaC1 作为投加剂,该处理方法操作方便,处 理费用低,除氟效果很好。pH对药剂的投加量和处 理效果影响非常明显,这种操作在实际应用中十分 广泛。 1.3.2电石渣沉淀法 电石渣(废渣)的主要成分是Ca(OH):,比石灰 更为廉价,因此在实际处理过程中常用其代替石灰, 它的基本原理与石灰处理基本一致,但效果优于石 灰,且沉渣易于脱水和沉淀。Mohammad等 研究 了Ca(OH) 去除水体中的氟离子,取得了很好的 效果。 化学沉淀法具有原理简单、处理方便、成本低、 效果好的特点,目前广泛应用于处理高浓度的含氟 水。但在一定程度上存在设备庞大、处理后出水很 难达标、沉渣沉降缓慢且脱水困难等缺点,常常需要 添加氯化钙或其他混凝剂,使沉淀加速。目前虽然 出现了一些新方法,但对于饮用水处理效果不佳,这 使化学沉淀法大多应用在工业废水除氟而不能很有 效的应用在饮用水除氟中。 1.4混凝沉降法 混凝沉降法是利用混凝剂在水中形成带正电的 胶粒吸附水中的F一,使胶粒相互并聚为较大的絮状 物沉淀,以达到除氟的目的。目前混凝剂主要有铁 盐和铝盐两大类。 现阶段主要使用的是铝盐类混凝剂,它的除氟 效率可达50%~90%,可在中性条件(一般pH=6 —8)下使用。常用的铝盐混凝剂有硫酸铝、聚合氯 化铝、聚合硫酸铝等,应用比较广泛。铁盐类混凝剂 一般除氟效率不高,仅为10%一30%。铁盐要达到 较高的除氟率,需配合Ca(OH):使用,并且要在较 高的pH值条件下(pH>9),排放废水还需用酸中 和反应调整才能达到排放标准,工艺较复杂,应用价 值不高。 目前,混凝沉降法一般只适用于含氟较低的水 处理,在高氟水处理中,混凝沉降法与化学沉淀法配 合使用是现在常用的方法。娄金生等将CaC1 与混 凝剂PAC联用,氟离子去除率达95.57%。 ・33・ 第39卷第11期 2014年11月 郑丹阳等・水体除氟方法的最新研究进展 Vo1.39 NO.11 混凝沉降法具有药剂投加量少、处理水量大 等优点,但一般只适用于含氟较低的水处理,如果 要取得更好的效果则需要与其他方法联合使用。 但除氟效果受搅拌条件、沉降时间等操作因素及 水中SO 一、cl一等阴离子浓度的影响较大,出水水 质不够稳定。人工操作复杂,整个混凝剂投加系 统运行费用较高,混凝剂一般不能再生。近年来 随着化学和水处理工业的不断发展,很多高效廉 价的混凝剂不断涌现,使强化混凝技术重现生机, 随着传感技术和自动控制技术的应用,实时控制 混凝剂的投加量已成为可能。不过混凝沉降法目 前仍较多的应用在工业生产中,在饮用水除氟方 面还需进一步的研究。 2 其它方法 除了上述4种主要方法之外,很多研究者在其 他方面开展了大量研究工作,电渗析法、电絮凝法、 反渗透法、共蒸馏法等方法的研究,取得了很好的成 效。如采用RO膜技术、铝电极电絮凝法、采用天然 壳聚糖作为吸附剂等。 这些方法取得的除氟效果都很好,得到了许多 学者的重视,但是其中的某些方法工艺复杂、处理费 用较高,与目前主要的除氟方法相比,大部分工艺还 不成熟,如果要继续发展,还需要进行深入研究。 3 结语 通过前面介绍的水体中除氟的各种方法,可以 看出每种方法都有其相对的优势和缺陷,其中吸附 法的应用较其他方法更为广泛,其他三种方法在实 际应用中还需进行深入研究。随着新技术、新方法 的出现,今后的研究方向应该向最大程度上的优化 各种方法的可行性、经济性以及增强材料的使用性 能等方面的发展。同时,还应当注重实际应用,尽量 ・34・ NOV.2014 使设备小型化、系列化,并向生产装置连续化、操作 自动化发展,以降低投资,简化管理。在注重环境友 好性的同时,加快已成熟方法的实际应用和新方法 的理论研究,以期将水体除氟技术提升到一个新的 层次。 参考文献: [1]P.Koilraj,S.Kannan.Aqueous fluride removal using ZnCr layered double hydroxides and their polymeric composites: Batch and column studies[J].Chemical Engineering Journa1. 2013(234):406—415. 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