鋁氧化物-水界面化學(xué)及其在水處理中的應(yīng)用

1、    鋁氧化物水界面化學(xué)及其在水處理中的應(yīng)用    張克軍摘要：在天然水體中，各種金屬離子的遷移轉(zhuǎn)化形式都受到鋁氧化物礦物表面反應(yīng)的影響。在工業(yè)領(lǐng)域的水處理工作中，鋁氧化物的水合表面的吸附能力往往會(huì)作為交換劑或者是催化劑的形式載體，因此，研究人員對(duì)鋁氧化物進(jìn)行深入研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。文章對(duì)鋁氧化物-水界面化學(xué)及其在水處理中的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析，僅供參考。關(guān)鍵詞：鋁氧化物-水界面化學(xué)；酸堿中和特性；離子強(qiáng)度；吸附能力；水處理；天然水體 ：a：x131 ：1009-2374（2015）27-0063-02 doi：10.13535/ki.11-4406

2、/n.2015.27.033我國的礦產(chǎn)資源相對(duì)來說比較豐富，其中鋁土礦資源是典型的代表。鋁氧化物包含的內(nèi)容比較多，其中包括氧化鋁以及水和氧化鋁等不同的物質(zhì)。這種類型的礦物質(zhì)往往會(huì)存在于天然水體沉淀物中。氧化物通過最終的反應(yīng)會(huì)對(duì)礦物的溶解、風(fēng)化以及沉淀的程度產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，同時(shí)還可以控制元素分配的情況。在社會(huì)發(fā)展的諸多領(lǐng)域，鋁氧化物都會(huì)作為原料來應(yīng)用，并且受到人們的高度重視。研究人員著重于研究鋁氧化物表面的荷電特性和吸附活性。1 鋁氧化物的晶體化學(xué)與形貌特征從鋁氧化物的類型上看，主要可以分為結(jié)晶態(tài)、凝膠態(tài)以及無定形態(tài)三種類型。出現(xiàn)這些氧化物主要是由于提煉方式和制備方式等方面都產(chǎn)生嚴(yán)重的差異，無論

3、是反應(yīng)溫度還是酸堿中和指數(shù)等都出現(xiàn)嚴(yán)重的變化。而且，不同種類型的鋁氧化物形式在結(jié)構(gòu)上都存在著一定的差異。不僅如此，顆粒的形貌、表面結(jié)構(gòu)以及化學(xué)性質(zhì)等方面都會(huì)出現(xiàn)差異形式。結(jié)晶態(tài)的鋁氧化物具有比較清晰和完整的晶格結(jié)構(gòu)，而且還存在著變體結(jié)構(gòu)。從現(xiàn)如今的研究中可以看出，氫氧化鋁的變體結(jié)構(gòu)已有4種。在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，鋁氧化物在不借助任何晶種的情況下，如果溫度達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)就會(huì)出現(xiàn)脫水的現(xiàn)象，物質(zhì)還可以進(jìn)行轉(zhuǎn)化。氧化鋁變體的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，無論是晶體結(jié)構(gòu)還是形態(tài)結(jié)構(gòu)都有嚴(yán)重的差異，因此，在研究的過程中，工作人員應(yīng)該對(duì)各種不同變體的密度、孔徑以及表面積等因素進(jìn)行分析。從現(xiàn)如今的研究中可以看出，形態(tài)的氧化鋁被

4、公認(rèn)為缺陷結(jié)構(gòu)比較明顯，因此晶體結(jié)構(gòu)就受到嚴(yán)重的影響。2 鋁氧化物表面化學(xué)性質(zhì)2.1 表面酸堿反應(yīng)與荷電行為鋁氧化物和水體相結(jié)合就是人們常說的水結(jié)合，在其界面上會(huì)出現(xiàn)一定的電離子形式。荷電離子會(huì)出現(xiàn)變化，最終使得鋁氧化表面呈現(xiàn)出羥基化的狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，羥基可離子化結(jié)構(gòu)會(huì)呈現(xiàn)出各種不同的酸堿性質(zhì)，同時(shí)還會(huì)受到界面靜電場(chǎng)整體強(qiáng)度的影響。在水溶液當(dāng)中，鋁氧化物表面的帶電部分和溶液中的離子結(jié)構(gòu)相互作用會(huì)形成雙電層結(jié)構(gòu)，帶電表面的基團(tuán)也會(huì)出現(xiàn)相互干擾的現(xiàn)象。因此，氧化物的表面也會(huì)出現(xiàn)各種離子相互干擾的現(xiàn)象。在發(fā)生酸堿中和反應(yīng)的過程中，電荷密度的數(shù)值會(huì)受到法拉第指數(shù)、氫氧根離子量以及溶液ph值等因素的

5、影響。溶液中的配體在正常反應(yīng)的基礎(chǔ)上還會(huì)進(jìn)行一定的反應(yīng)，因此，這也是實(shí)驗(yàn)的難度之所在。酸堿滴定方式是測(cè)定酸堿反應(yīng)的比較典型的手段，從20世紀(jì)70年代開始，對(duì)鋁氧化物的報(bào)道數(shù)量明顯增加，尤其是對(duì)鋁氧化物的pzc值和其結(jié)構(gòu)類型相關(guān)。所以說，對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的形貌特征以及表面的化學(xué)成分都是研究的重點(diǎn)。為了提升鋁氧化物的高催化活性，研究人員需要掌握吸附劑以及催化劑的作用和性能。2.2 表面酸堿反應(yīng)模型鋁氧化物表面的電荷機(jī)理可以用表面的吸附反應(yīng)來進(jìn)行解釋，因此，建立相對(duì)比較重要的模型形式才能夠系統(tǒng)直觀地展現(xiàn)出多種反應(yīng)形式。研究人員在進(jìn)行結(jié)晶學(xué)的研究的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，不同的學(xué)者從不同的角度來對(duì)表面羥基進(jìn)行了分析，建

6、立了不同形式的模型結(jié)構(gòu)，金屬氧化物的表面存在著金屬離子配合的氧基，同時(shí)也會(huì)伴隨著吸附和轉(zhuǎn)移反應(yīng)在其中。由于表面羥基的類型、密度以及酸度常數(shù)都比較特殊，因此，結(jié)晶學(xué)的信息很難對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行推測(cè)，所以說，低潔凈度和無定形礦物都會(huì)受到嚴(yán)重的限制。2.3 表面吸附反應(yīng)經(jīng)過多年的研究和分析，人們?cè)谘趸镂椒磻?yīng)方面已經(jīng)取得了一定的成效。人們對(duì)各種不同的模型進(jìn)行描述和預(yù)測(cè)，從計(jì)算參數(shù)、使用方式等方面入手，深入研究表面吸附的反應(yīng)情況。對(duì)于這種吸附行為來說，用半經(jīng)驗(yàn)的模型結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行明確比較重要。在這一方面的研究中可以看出，無論是離子交換、離子溶解還是表面的絡(luò)合情況都需要和酸堿模型相結(jié)合，在水合金屬氧化物表

7、面上出現(xiàn)嚴(yán)重的吸附現(xiàn)象。內(nèi)層和外層絡(luò)合物的形成就是由水合氧化物的表面上存在著親和力和結(jié)合位置的差異而產(chǎn)生。金屬氧化物表面上的吸附作用在產(chǎn)生的過程中也會(huì)嚴(yán)重地影響到溶液的分配情況，同時(shí)也改變著荷電的狀態(tài)。吸附作用的形成需要吸附劑和吸附質(zhì)兩種形式共同形成。在此過程中還會(huì)受到溶液的酸堿中和指數(shù)以及離子強(qiáng)度的影響。在各種反應(yīng)介質(zhì)中，酸堿中和指數(shù)和電解質(zhì)不僅會(huì)嚴(yán)重地影響到電荷值、離子指數(shù)，還會(huì)直接影響到金屬離子的解離程度和最終的形態(tài)。綜合來看，影響水合鋁氧化物容量的因素較多，包括表面的ph值、比表面積以及吸附質(zhì)等，同時(shí)溶液的酸堿中和指數(shù)以及離子的強(qiáng)度等都是不可缺少的影響因素。2.4 鋁氧化物的溶解對(duì)于鋁

8、氧化物來說，酸堿兩性的可溶性比較突出，在對(duì)其水合性質(zhì)進(jìn)行考慮的過程中，研究人員需要對(duì)溶液的性質(zhì)以及表面的吸附反應(yīng)等因素進(jìn)行分析。溶液在反應(yīng)的過程中，很容易受到溶解速度以及反應(yīng)時(shí)間的影響。研究學(xué)者對(duì)三水鋁石的溶解程度進(jìn)行了深入的研究，最終得出結(jié)論，在對(duì)其表面進(jìn)行控制的過程中，so42-、si（oh）4以及c6o7h8可以增強(qiáng)鋁的溶出度。同時(shí)，氟化物也或多或少地存在，在這一過程中，hqs對(duì)于鋁氧化物會(huì)起到一定的促進(jìn)作用，砷酸鹽物質(zhì)的反應(yīng)則不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。3 鋁氧化物在水處理中的應(yīng)用3.1 吸附劑和離子交換劑在水處理工藝中為提高水處理效率、降低運(yùn)行成本，要求吸附劑應(yīng)當(dāng)具備吸附能力強(qiáng)、反應(yīng)速度快、成

9、本低、易再生、易回收、重復(fù)使用性能好的特點(diǎn)?；钚匝趸X制品由于具有高比表面積、在水中表面羥基化可產(chǎn)生活性位點(diǎn)、微孔表面吸附能力強(qiáng)、對(duì)多數(shù)無機(jī)離子和部分有機(jī)物都有較強(qiáng)的吸附能力、可以方便地用酸/堿溶液再生且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在水處理中應(yīng)用廣泛。工業(yè)上使用的活性氧化鋁主要指各種過渡態(tài)和無定形氧化鋁的混合物，一般是由氫氧化鋁脫水得到的。3.2 催化劑載體在汽車尾氣處理技術(shù)中，使用氧化鋁為載體負(fù)載ag、cu等金屬用于催化還原nox、so2、烴類等有機(jī)物已有很多報(bào)道。而在水處理工藝中，由于鋁氧化物廉價(jià)、比表面積大、熱穩(wěn)定和機(jī)械強(qiáng)度較好，也廣泛地用作催化劑和催化劑載體。有報(bào)道發(fā)現(xiàn)單獨(dú)使用活性氧化鋁為催化劑與臭氧氧化聯(lián)用，可大大提高對(duì)2-氯酚、草酸、丁二酸和水楊酸等的氧化降解。4 結(jié)語隨著現(xiàn)代分析手段的進(jìn)步，人們逐漸對(duì)水合鋁氧化物表面的微觀形貌和表面-吸附質(zhì)的精細(xì)結(jié)構(gòu)有了更多認(rèn)識(shí)。對(duì)水處理工業(yè)來說，研制有特殊選擇性的吸附劑，用簡(jiǎn)單的工藝制造價(jià)格低廉、性能優(yōu)異的吸附劑是吸附理論和吸附劑未來研發(fā)的重要方向。參考文獻(xiàn)1 梁美娜