新型除氟载铁聚丙烯酰胺凝胶的制备研究.docx

    新型除氟载铁聚丙烯酰胺凝胶的制备研究    陈志红，伍雅婧，贺子悦(长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710054)氟广泛存在于岩石、土壤、海洋中，是存在量排序12 的元素氟的化学性质活泼、氧化能力极强，几乎能与所有元素化合，故自然界中的氟都是以各种化合物的状态存在由于氟离子体积小，它能与许多正离子形成稳定的配位化合物氟与烃类会发生难以控制的快速反应，例如，氟与水反应:2H2O +2F2=4HF+O2据不完全统计，我国有近7 000 万人饮用含氟量超标的水氟进入体内后使得钙过量地在血管上沉积，造成血管钙化，引起动脉硬化，危害患者健康氟中毒不仅给病人带来精神和肉体上的痛苦，而且给家庭和社会带来沉重的经济负担［1-3］现在除氟的方法主要包括三大类:沉淀法、电渗析和反渗透脱盐法和絮凝法［4-5］其中，絮凝法以其工艺简单、效率高、费用较低等优点愈发得到人们的青睐絮凝法所使用的絮凝剂大都是含有大量活性基团的高分子有机物［6］用化学方法在大分子中引入活性基团可提高絮凝性能，如将一种天然多糖进行醚化反应引入羧基、酰胺基等活性基团后，絮凝性能较好，可加速沉降国内研制的一些絮凝剂，曾在几个糖厂试用，并获得了较好的效果。

目前合成的聚丙烯酰胺系列产品在国内外糖厂是使用最广泛的絮凝剂，它们发展提高较快，在制糖工业的多种流程中普遍使用本文针对高氟饮用水用凝胶进行除氟研究，在前人的实验方法下对絮凝剂进行载铁实验，并确定其最佳工艺参数，力求达到更好的除氟效果1 实验部分1.1 试剂与仪器聚丙烯酰胺(PAM)、甲醛溶液、二乙烯三胺、5-磺基水杨酸、硫酸高铁铵、浓氨水、浓盐酸、氢氧化钠、重铬酸钾、二水合柠檬酸钠、硝酸钠等均为分析纯BT-224S 电子天平;DK-98-1 型电热恒温水浴锅;BC-S212 型恒速搅拌器;X101-2 型鼓风干燥箱;pHS-3C 型精密pH 计;721 型分光光度计1.2 溶液配制1.2.1 1 ∶1 盐酸 用100 mL 容量瓶量取饱和浓盐酸50 mL，加蒸馏水稀释定容，摇匀备用1.2.2 1 ∶1 氨水 用100 mL 容量瓶量取饱和浓氨水50 mL，加蒸馏水稀释定容，摇匀备用1.2.3 20%磺基水杨酸 称取5-磺基水杨酸20 g，溶解于80 mL 蒸馏水中，摇匀备用1.2.4 100 μg/mL 铁标准储备液 称取0.431 7 g硫酸高铁铵，加1 ∶1 盐酸10 mL 溶解，将溶液移入500 mL 容量瓶，加蒸馏水稀释至刻度，加盖摇匀。

1.2.5 10 μg/mL 铁标准使用液 移取10 mL 铁标准储备液，注入100 mL 容量瓶中，再加蒸馏水稀释定容，摇匀备用1.2.6 总离子强度调节缓冲溶液(TISAB) 称取58.8 g 二水合柠檬酸钠和85 g 硝酸钠，加水溶解，用盐酸调节pH 值至5 ～6，转入1 000 mL 容量瓶中，稀释至标线，摇匀1.3 测定方法1.3.1 对铁的测定 将5 mL 待测液加入50 mL 容量瓶中，在加入蒸馏水10 mL 和20%磺基水杨酸溶液5 mL，加入1 ∶1 氨水中和溶液直至呈现黄色并过量2 mL，最后加蒸馏水稀释定容，加盖摇匀静置片刻后用分光光度计在λ =420 nm 处测量其吸光度，并根据由铁标准使用液制得的铁标准曲线y =0.108 9x+0.000 1(x 为铁溶液浓度，y 为铁溶液在此浓度下对应的吸光度)计算溶液中的铁浓度［7-8］1.3.2 对氟的测定 将待测液及5 mL TISAB 加入50 mL 容量瓶中，用蒸馏水定容后摇匀，静置5 min后倒入小烧杯，放入氟电极和饱和甘汞电极，搅拌至读数较稳定，读取溶液的－mV 值根据氟标准溶液测得的F－标准工作曲线:Y =57.869X +77.195(X 为－lgCF－，Y 为电位)求得溶液中F－浓度［9］。

1.4 改性方法准确称取一定量聚丙烯酰胺凝胶置于250 mL锥形瓶中，加入一定体积Fe3+含量1.000 0 g/L 的Fe3+溶液，调节pH 值，在一定温度的水浴锅中搅拌一段时间后过滤，洗涤1.5 除氟实验平衡静态法测定载铁聚丙烯酰胺凝胶除氟率称取一定量载铁聚丙烯酰胺凝胶置于锥形瓶内，再加入50 mL 一定氟离子浓度的含氟水，调节pH 值，在恒温水浴锅中搅拌一段时间，过滤后取滤液测定余氟含量，由吸附前后水中余氟量得到载铁聚丙烯酰胺凝胶除氟率2 结果与讨论2.1 除氟机理为得到具有更高除氟率的产品，本研究对原有凝胶进行一系列改性实验Fe3+能够与水中游离的F－生成络合物(FeF)2+、(FeF2)+、FeF3，从而使F－含量下降，提高聚丙烯酰胺凝胶的除氟效率，反应式如下:R-Fe3++F－→R-FeF因此，本文选择Fe3+作为改性金属离子，与聚丙烯酰胺凝胶进行螯合反应:2.2 最佳反应pH 的确定准确称取0.500 0 g 聚丙烯酰胺凝胶7 份，分别加入50 mL Fe3+含量1.000 0 g/L 的Fe3+溶液，控制pH 值在1.00 ～1.80，并测量溶液准确pH 值常温(20 ℃)下反应一段时间后过滤，将滤液稀释100倍后，测含铁量。

pH 与载铁率的关系见图1由图1 可知，凝胶载铁率随pH 值升高呈上升趋势，在pH=1.67 时出现突跃，pH 为1.75 时载铁率达到最大值当pH =1.80 时溶液出现沉淀，不可取故选择pH =1.75 为最佳反应酸碱度，在后续实验中反应体系的pH 值均控制在1.75图1 pH 对载铁率的影响Fig.1 pH on the rate of iron contained2.3 最佳反应温度的确定准确称取0.500 0 g 聚丙烯酰胺凝胶4 份，再加入50 mL Fe3+含量1.000 0 g/L 的Fe3+溶液，控制pH=1.75，分别在20，30，40，50 ℃水浴锅中反应一段时间后过滤将滤液稀释100 倍后测量铁含量，温度与载铁率关系见图2图2 温度对载铁率的影响Fig.2 Temperature on the rate of iron contained由图2 可知，在30 ℃之前凝胶载铁率随着反应温度升高而升高，30 ℃之后载铁率有所下降，30 ℃时载铁率最高，故选择30 ℃为最佳温度值在后续的改性实验中反应体系温度均控制在30 ℃2.4 最佳反应时间的确定准确称取0.500 0 g 聚丙烯酰胺凝胶4 份，加入50 mL Fe3+含量1.000 0 g/L 的Fe3+溶液，控制pH=1.75，在30 ℃水浴锅中分别反应0.5，1，2，3 h，过滤。

将滤液稀释100 倍后测铁含量，得反应时间与载铁率的关系见图3由图3 可知，反应时间为2 h 时凝胶载铁率最高，2 h 之前载铁率随反应时间增加而上升，反之2 h 之后载铁率随反应时间增加有所下降故最佳反应时间为2 h，为了确保载铁量最大，后续实验选择2 h 改性时间图3 反应时间对载铁率的影响Fig.3 The impact of reaction time on iron contained2.5 最佳Fe3+浓度的确定准确称取0.500 0 g 聚丙烯酰胺凝胶4 份，分别加入50 mL 不同浓度Fe3+溶液，调节pH =1.75，在30 ℃水浴锅中反应2 h 后过滤将滤液稀释100 倍后测量含铁量，得铁溶液浓度与载铁率关系，见图4图4 铁溶液浓度对载铁率的影响Fig.4 Effect of contains iron concentration on the rate of iron由图4 可知，铁浓度在1.000 0 g/L 之前凝胶载铁率随着铁浓度升高而升高，在1.000 0 g/L 之前载铁率随着铁浓度升高而降低，铁浓度为1.000 0 g/L时载铁率最高达到61.52%，即为最佳载铁浓度。

2.6 载铁凝胶除氟实验称取最佳改性条件下的载铁聚丙烯酰胺凝胶1.580 0 g，加入50 mL 铁溶液，调节pH=1.75，置于30 ℃水浴锅中反应2 h 后测量水中氟含量得反应时间与除氟率关系见图5图5 反应时间对除氟率的影响Fig.5 Reaction time on rate of fluoride removal由图5 可知，除氟率随着反应时间的延长而上升2 h 后除氟率增长速度变缓，变化不明显，继续延长反应时间对除氟率无大影响考虑动力消耗等因素，选择最佳除氟时间为2 h3 结论(1)改性实验的最佳反应条件为:Fe3+溶液浓度1.000 0 g/L，控制pH=1.75，在30 ℃恒温水浴中反应2 h2)在最佳改性条件下对凝胶进行改性实验，凝胶的最高载铁率达到61.25%3)载铁凝胶的最佳出氟率在2 h 左右［1］ 蔡宏道.现代环境卫生学［M］.北京:人民卫生出版社，1995:667-676.［2］ 李家熙，黄怀曾，流小瑞，等.硒、氟的地球化学特征与人体健康［J］.环境卫生学，1998，10(3):152-155.［3］ 郑宝山.地方性氟中毒及工业氟污染研究［M］.北京:中国环境科学出版社，1992:28.［4］ 石荣，刘梅英.含高氟废水处理方法的研究［J］.环境保护科学，2002，28(109):18-20.［5］ 黄国林，邹丽霞，路达. 含氟工业废水处理技术研究［J］.污染防治技术，1999，12(3):131-133.［6］ 肖锦，杞永亮.我国絮凝剂发展的现状与对策［J］.现代化工，1997，17(12):6-9.［7］ 杨宏颖，陈威，王东伟. 分光光度法测量痕量三价铁［J］.黑龙江环境通报，2003，2(1):66-68.［8］ 霍广进，刘桂英.环境水中微量氟的测定［J］.河北师范大学学报:自然科学版，2005，4(29):390-395.［9］ 刘玉梅.用离子选择电极法分析饮用水中氟离子浓度［J］.山西科技，2009(5):127-128.  -全文完-。