金属氧化物纳米复合材料用于污水除氟的研究进展

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0876

摘要/Abstract

摘要：

污水除氟是保障水质安全和人类健康的迫切需要。在各种除氟技术中，吸附法因具有操作简单、经济高效等优点得到了广泛应用。作为近些年发展起来的新型吸附材料，金属氧化物纳米复合吸附剂将纳米金属氧化物负载到多孔载体材料内，在保留纳米金属氧化物高除氟性能的同时，提高了材料的稳定性与易操作性，是一种较为理想的新型吸附材料，在污水深度除氟领域具有良好的应用前景。总结和评价了由不同纳米金属氧化物（Al、Mg、Zr、La等的氧化物）负载于多孔载体材料（大孔树脂、生物质等）内制备的不同类型纳米复合材料的除氟特性，阐释了其主要除氟机制，并对金属氧化物纳米复合材料在废水除氟领域的研究方向进行了初步展望。

关键词: 金属氧化物, 纳米复合材料, 氟化物, 选择性吸附

Abstract:

Water defluoridation is an urgent need to guarantee the water quality safety and human health. Among several defluoridation technologies，adsorption method is the technology most commonly used due to its cost-effectiveness and ease of operation. As a new type of adsorbent developed in recent years，metal oxide nanocomposite，prepared by immobilizing nano-metal oxides into large-sized porous carrier materials，can keep the high defluoridation performance of nano-metal oxides，as well as improve their stability and operability. Thus，metal oxide nanocomposite material is an ideal new adsorption material and has huge application potential for fluoride removal from water. This paper presented an overview on the fluoride removal performances by different types of nanocomposites prepared by embedding various metal oxides（oxides of Al，Mg，Zr，La，etc.） into different host porous materials（macroporous resins，biomass，etc.），as well as elucidated their main decontamination mechanisms. Also，the prospects of the development direction concerning metal oxide nanocomposite for fluoride removal were briefly discussed.

Key words: metal oxides, nanocomposite, fluoride, selective adsorption

中图分类号:

X703.1
TQ424

赵雨, 李含, 许海民, 毛亚, 陈嘉超, 姜东浩, 宋佩霖, 杨文澜. 金属氧化物纳米复合材料用于污水除氟的研究进展[J]. 工业水处理, 2022, 42(10): 9-14.

Yu ZHAO, Han LI, Haimin XU, Ya MAO, Jiachao CHEN, Donghao JIANG, Peilin SONG, Wenlan YANG. Research progress on metal oxides nanocomposite for fluoride removal from wastewater[J]. Industrial Water Treatment, 2022, 42(10): 9-14.

https://www.iwt.cn/CN/Y2022/V42/I10/9

图/表 7

参考文献 29

1	KARUNANITHI M， AGARWAL M， QANUNGO K. A review of fluoride removal from groundwater［J］. Periodica Polytechnica Chemical Engineering，2019，63（3）：425-437.
2	MURPHY H M， PRIOLEAU M D， BORCHARDT M A，et al. Review：Epidemiological evidence of groundwater contribution to global enteric disease，1948—2015［J］. Hydrogeology Journal，2017，25（4）：981-1001. doi:10.1007/s10040-017-1543-y
3	LI Peiyue， LI Xinyan， MENG Xiangyi，et al. Appraising groundwater quality and health risks from contamination in a semiarid region of northwest China［J］. Exposure and Health，2016，8（3）：361-379. doi:10.1007/s12403-016-0205-y
4	BISWAS G， KUMARI M， ADHIKARI K，et al. A critical review on occurrence of fluoride and its removal through adsorption with an emphasis on natural minerals［J］. Current Pollution Reports，2017，3（2）：104-119. doi:10.1007/s40726-017-0054-8
5	LI Peiyue， WU Jianhua， TIAN Rui，et al. Geochemistry，hydraulic connectivity and quality appraisal of multilayered groundwater in the Hongdunzi coal mine，northwest China［J］. Mine Water and the Environment，2018，37（2）：222-237. doi:10.1007/s10230-017-0507-8
6	MUMTAZ N， PANDEY G， LABHASETWAR P K. Global fluoride occurrence，available technologies for fluoride removal，and electrolytic defluoridation：A review［J］. Critical Reviews in Environmental Science and Technology，2015，45（21）：2357-2389. doi:10.1080/10643389.2015.1025638
7	YADAV K K， GUPTA N， KUMAR V，et al. A review of emerging adsorbents and current demand for defluoridation of water：Bright future in water sustainability［J］. Environment International，2018，111：80-108. doi:10.1016/j.envint.2017.11.014
8	DAMTIE M M， WOO Y C， KIM B，et al. Removal of fluoride in membrane-based water and wastewater treatment technologies：Performance review［J］. Journal of Environmental Management，2019，251：109524. doi:10.1016/j.jenvman.2019.109524
9	BHATNAGAR A， KUMAR E， SILLANPÄÄ M. Fluoride removal from water by adsorption：A review［J］. Chemical Engineering Journal，2011，171（3）：811-840. doi:10.1016/j.cej.2011.05.028
10	JAGTAP S， YENKIE M K， LABHSETWAR N，et al. Fluoride in drinking water and defluoridation of water［J］. Chemical Reviews，2012，112（4）：2454-2466. doi:10.1021/cr2002855
11	HUA Ming， ZHANG Shujuan， PAN Bingcai，et al. Heavy metal removal from water/wastewater by nanosized metal oxides：A review［J］. Journal of Hazardous Materials，2012，211/212：317-331. doi:10.1016/j.jhazmat.2011.10.016
12	ZHAO Xin， Lu LÜ， PAN Bingcai，et al. Polymer-supported nanocomposites for environmental application：A review［J］. Chemical Engineering Journal，2011，170（2/3）：381-394. doi:10.1016/j.cej.2011.02.071
13	PAN Bingcai， XU Jingsheng， WU Bing，et al. Enhanced removal of fluoride by polystyrene anion exchanger supported hydrous zirconium oxide nanoparticles［J］. Environmental Science & Technology，2013，47（16）：9347-9354. doi:10.1021/es401710q
14	滕洁. 新型胺基强化纳米氧化镧复合材料研制及饮用水深度除氟特性［D］. 秦皇岛：燕山大学，2016.
	TENG Jie. Efficient fluoride removal in drinking water by ammonium bosted nanocomposite containing lanthanum oxide nanoparticles［D］. Qinhuangdao：Yanshan University，2016.
15	纪现凯. 纳米磷酸钛及树脂负载磷酸钛复合材料高效净化水中氟离子的性能研究［D］. 秦皇岛：燕山大学，2015.
	JI Xiankai. Titanium phosphate and resin encapsulated titanium phosphate for the efficient removal of fluoride ions from water［D］. Qinhuangdao：Yanshan University，2015.
16	XU Wenjing， HE Qinglin， ZHANG Shaojun，et al. Adsorption of fluoride from aqueous solutions by polyacrylic acid modified with aluminium［J］. Polymer Bulletin，2018，75（3）：1171-1184. doi:10.1007/s00289-017-2082-3
17	DONG Shuoxun， WANG Yili. Characterization and adsorption properties of a lanthanum-loaded magnetic cationic hydrogel composite for fluoride removal［J］. Water Research，2016，88：852-860. doi:10.1016/j.watres.2015.11.013
18	陈家凯，聂广泽，刘志英，等. 树脂基纳米钛锆氧化物复合吸附剂同步去除水中磷和氟［J］. 环境科学，2017，38（5）：1947-1956.
	CHEN Jiakai， NIE Guangze， LIU Zhiying，et al. Performance of polymer-based titanium and zirconium oxides composite adsorbent for simultaneous removal of phosphorus and fluorine from water［J］. Environmental Science，2017，38（5）：1947-1956.
19	HOKKANEN S， BHATNAGAR A， SILLANPÄÄ M. A review on modification methods to cellulose-based adsorbents to improve adsorption capacity［J］. Water Research，2016，91：156-173. doi:10.1016/j.watres.2016.01.008
20	NEHRA S， RAGHAV S， KUMAR D. Biomaterial functionalized cerium nanocomposite for removal of fluoride using central composite design optimization study［J］. Environmental Pollution，2020，258：113773. doi:10.1016/j.envpol.2019.113773
21	XU Lingyun， CHEN Guijie， PENG Chuanyi，et al. Adsorptive removal of fluoride from drinking water using porous starch loaded with common metal ions［J］. Carbohydrate Polymers，2017，160：82-89. doi:10.1016/j.carbpol.2016.12.052
22	DINESH M， SANDEEP K， ANJU S. Fluoride removal from ground water using magnetic and nonmagnetic corn stover biochars［J］. Ecological Engineering，2014（73）：798-808. doi:10.1016/j.ecoleng.2014.08.017
23	WAN Shunli， LIN Jingdong， TAO Weixiang，et al. Enhanced fluoride removal from water by nanoporous biochar-supported magnesium oxide［J］. Industrial & Engineering Chemistry Research，2019，58（23）：9988-9996. doi:10.1021/acs.iecr.9b01368
24	宋晓昕. 镧基生物复合材料高效去除水中微量磷酸盐和氟离子特性研究［D］. 秦皇岛：燕山大学，2016.
	SONG Xiaoxin. Study on the performance of efficient removal of trace phosphate and fluoride ions by lanthanum based on biological material［D］. Qinhuangdao：Yanshan University，2016.
25	YANG Weichun， TIAN Shunqi， TANG Qiongzhi，et al. Fungus hyphae-supported alumina：An efficient and reclaimable adsorbent for fluoride removal from water［J］. Journal of Colloid and Interface Science，2017，496：496-504. doi:10.1016/j.jcis.2017.02.015
26	郭雅丽. 金属氧化物负载生物质基载体复合材料的制备及其除氟性能研究［D］. 济南：山东大学，2020.
	GUO Yali. Enhanced removal of fluoride by bio-carrier supported metal oxides nanoparticles［D］. Ji’nan：Shandong University，2020.
27	MANDAL S， MAYADEVI S. Cellulose supported layered double hydroxides for the adsorption of fluoride from aqueous solution［J］. Chemosphere，2008，72（6）：995-998. doi:10.1016/j.chemosphere.2008.03.053
28	陈亮. 环境纳米材料的设计、制备及其对水中氟的去除性能研究［D］. 合肥：中国科学技术大学，2016.
	CHEN Liang. Environmental nanomaterials for fluoride removal from water：Design，preparation and property study［D］. Hefei：University of Science and Technology of China，2016.
29	WANG Xuezhu， PAN Shunlong， ZHANG Ming，et al. Modified hydrous zirconium oxide/PAN nanofibers for efficient defluoridation from groundwater［J］. The Science of the Total Environment，2019，685：401-409. doi:10.1016/j.scitotenv.2019.05.380

除氟技术	优点	缺点
沉淀法	初始成本低、氟去除率高	污泥产生量较大、不能实现深度除氟
膜分离法	氟去除率高	成本和运行费用高、膜组件易污染、膜浓液需进一步处理
离子交换法	流程简单、效果稳定、不易造成二次污染	氟离子选择性较差、离子交换剂成本及再生费用高
电絮凝法	氟去除率高、运行稳定、设备简单、操作方便、废渣较少	能耗较大、电极易钝化、运行维护成本较高
吸附法	工艺简单、操作方便、效果稳定、能够实现深度除氟	吸附效果受pH、共存离子影响，吸附饱和后需再生处理

除氟技术	优点	缺点
沉淀法	初始成本低、氟去除率高	污泥产生量较大、不能实现深度除氟
膜分离法	氟去除率高	成本和运行费用高、膜组件易污染、膜浓液需进一步处理
离子交换法	流程简单、效果稳定、不易造成二次污染	氟离子选择性较差、离子交换剂成本及再生费用高
电絮凝法	氟去除率高、运行稳定、设备简单、操作方便、废渣较少	能耗较大、电极易钝化、运行维护成本较高
吸附法	工艺简单、操作方便、效果稳定、能够实现深度除氟	吸附效果受pH、共存离子影响，吸附饱和后需再生处理

纳米复合材料	温度/K	pH	等温吸附模型	氟离子最大吸附量/（mg·g^-1）
HZO-201^〔13〕	298	3.5	Freundlich	134.7
D201-La₂O₃ ^〔14〕	333	6.5	Langmuir	122.2
TiP-201^〔15〕	293	2.0	Freundlich	33.8
PAA-Al^〔16〕	298	2.0	Freundlich	283.5
MCH-La^〔17〕	298	7.0	Sips	136.8
Ti-Zr-D201^〔18〕	308	6.0	Freundlich	35.1

纳米复合材料	温度/K	pH	等温吸附模型	氟离子最大吸附量/（mg·g^-1）
HZO-201^〔13〕	298	3.5	Freundlich	134.7
D201-La₂O₃ ^〔14〕	333	6.5	Langmuir	122.2
TiP-201^〔15〕	293	2.0	Freundlich	33.8
PAA-Al^〔16〕	298	2.0	Freundlich	283.5
MCH-La^〔17〕	298	7.0	Sips	136.8
Ti-Zr-D201^〔18〕	308	6.0	Freundlich	35.1

纳米复合材料	温度/K	pH	等温吸附模型	氟离子最大吸附量/（mg·g^-1）
LC-Ce^〔20〕	298	7.0	Freundlich	212
PS-Zr^〔21〕	298	6.5	Langmuir	25.41
MCSBC^〔22〕	293	2.0	Langmuir	4.11
MgO-BC^〔23〕	318	8.0	Langmuir	83.05
ACS-La^〔24〕	333	6.0	Langmuir	124
FHSA^〔25〕	298	7.0	Langmuir	105.60
HZO-PP^〔26〕	303	3.0	Langmuir	31.5
Zr-La/PP^〔26〕	303	3.0	Langmuir	32.5
CSLDHs^〔27〕	298	6.5	Langmuir	13.80

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