铝氧化物-水界面化学及其在水处理中的应用

1、    铝氧化物水界面化学及其在水处理中的应用    张克军摘要：在天然水体中，各种金属离子的迁移转化形式都受到铝氧化物矿物表面反应的影响。在工业领域的水处理工作中，铝氧化物的水合表面的吸附能力往往会作为交换剂或者是催化剂的形式载体，因此，研究人员对铝氧化物进行深入研究具有一定的现实意义。文章对铝氧化物-水界面化学及其在水处理中的应用情况进行了分析，仅供参考。关键词：铝氧化物-水界面化学；酸碱中和特性；离子强度；吸附能力；水处理；天然水体 ：a：x131 ：1009-2374（2015）27-0063-02 doi：10.13535/ki.11-4406

2、/n.2015.27.033我国的矿产资源相对来说比较丰富，其中铝土矿资源是典型的代表。铝氧化物包含的内容比较多，其中包括氧化铝以及水和氧化铝等不同的物质。这种类型的矿物质往往会存在于天然水体沉淀物中。氧化物通过最终的反应会对矿物的溶解、风化以及沉淀的程度产生严重的影响，同时还可以控制元素分配的情况。在社会发展的诸多领域，铝氧化物都会作为原料来应用，并且受到人们的高度重视。研究人员着重于研究铝氧化物表面的荷电特性和吸附活性。1 铝氧化物的晶体化学与形貌特征从铝氧化物的类型上看，主要可以分为结晶态、凝胶态以及无定形态三种类型。出现这些氧化物主要是由于提炼方式和制备方式等方面都产生严重的差异，无论

3、是反应温度还是酸碱中和指数等都出现严重的变化。而且，不同种类型的铝氧化物形式在结构上都存在着一定的差异。不仅如此，颗粒的形貌、表面结构以及化学性质等方面都会出现差异形式。结晶态的铝氧化物具有比较清晰和完整的晶格结构，而且还存在着变体结构。从现如今的研究中可以看出，氢氧化铝的变体结构已有4种。在工业生产领域中，铝氧化物在不借助任何晶种的情况下，如果温度达到一定的标准就会出现脱水的现象，物质还可以进行转化。氧化铝变体的结构比较复杂，无论是晶体结构还是形态结构都有严重的差异，因此，在研究的过程中，工作人员应该对各种不同变体的密度、孔径以及表面积等因素进行分析。从现如今的研究中可以看出，形态的氧化铝被

4、公认为缺陷结构比较明显，因此晶体结构就受到严重的影响。2 铝氧化物表面化学性质2.1 表面酸碱反应与荷电行为铝氧化物和水体相结合就是人们常说的水结合，在其界面上会出现一定的电离子形式。荷电离子会出现变化，最终使得铝氧化表面呈现出羟基化的状态。在这种状态下，羟基可离子化结构会呈现出各种不同的酸碱性质，同时还会受到界面静电场整体强度的影响。在水溶液当中，铝氧化物表面的带电部分和溶液中的离子结构相互作用会形成双电层结构，带电表面的基团也会出现相互干扰的现象。因此，氧化物的表面也会出现各种离子相互干扰的现象。在发生酸碱中和反应的过程中，电荷密度的数值会受到法拉第指数、氢氧根离子量以及溶液ph值等因素的

5、影响。溶液中的配体在正常反应的基础上还会进行一定的反应，因此，这也是实验的难度之所在。酸碱滴定方式是测定酸碱反应的比较典型的手段，从20世纪70年代开始，对铝氧化物的报道数量明显增加，尤其是对铝氧化物的pzc值和其结构类型相关。所以说，对晶体结构的形貌特征以及表面的化学成分都是研究的重点。为了提升铝氧化物的高催化活性，研究人员需要掌握吸附剂以及催化剂的作用和性能。2.2 表面酸碱反应模型铝氧化物表面的电荷机理可以用表面的吸附反应来进行解释，因此，建立相对比较重要的模型形式才能够系统直观地展现出多种反应形式。研究人员在进行结晶学的研究的试验中发现，不同的学者从不同的角度来对表面羟基进行了分析，建

6、立了不同形式的模型结构，金属氧化物的表面存在着金属离子配合的氧基，同时也会伴随着吸附和转移反应在其中。由于表面羟基的类型、密度以及酸度常数都比较特殊，因此，结晶学的信息很难对相关的数据进行推测，所以说，低洁净度和无定形矿物都会受到严重的限制。2.3 表面吸附反应经过多年的研究和分析，人们在氧化物吸附反应方面已经取得了一定的成效。人们对各种不同的模型进行描述和预测，从计算参数、使用方式等方面入手，深入研究表面吸附的反应情况。对于这种吸附行为来说，用半经验的模型结构对其进行明确比较重要。在这一方面的研究中可以看出，无论是离子交换、离子溶解还是表面的络合情况都需要和酸碱模型相结合，在水合金属氧化物表

7、面上出现严重的吸附现象。内层和外层络合物的形成就是由水合氧化物的表面上存在着亲和力和结合位置的差异而产生。金属氧化物表面上的吸附作用在产生的过程中也会严重地影响到溶液的分配情况，同时也改变着荷电的状态。吸附作用的形成需要吸附剂和吸附质两种形式共同形成。在此过程中还会受到溶液的酸碱中和指数以及离子强度的影响。在各种反应介质中，酸碱中和指数和电解质不仅会严重地影响到电荷值、离子指数，还会直接影响到金属离子的解离程度和最终的形态。综合来看，影响水合铝氧化物容量的因素较多，包括表面的ph值、比表面积以及吸附质等，同时溶液的酸碱中和指数以及离子的强度等都是不可缺少的影响因素。2.4 铝氧化物的溶解对于铝

8、氧化物来说，酸碱两性的可溶性比较突出，在对其水合性质进行考虑的过程中，研究人员需要对溶液的性质以及表面的吸附反应等因素进行分析。溶液在反应的过程中，很容易受到溶解速度以及反应时间的影响。研究学者对三水铝石的溶解程度进行了深入的研究，最终得出结论，在对其表面进行控制的过程中，so42-、si（oh）4以及c6o7h8可以增强铝的溶出度。同时，氟化物也或多或少地存在，在这一过程中，hqs对于铝氧化物会起到一定的促进作用，砷酸盐物质的反应则不会出现这种现象。3 铝氧化物在水处理中的应用3.1 吸附剂和离子交换剂在水处理工艺中为提高水处理效率、降低运行成本，要求吸附剂应当具备吸附能力强、反应速度快、成

9、本低、易再生、易回收、重复使用性能好的特点。活性氧化铝制品由于具有高比表面积、在水中表面羟基化可产生活性位点、微孔表面吸附能力强、对多数无机离子和部分有机物都有较强的吸附能力、可以方便地用酸/碱溶液再生且价格低廉等优点，在水处理中应用广泛。工业上使用的活性氧化铝主要指各种过渡态和无定形氧化铝的混合物，一般是由氢氧化铝脱水得到的。3.2 催化剂载体在汽车尾气处理技术中，使用氧化铝为载体负载ag、cu等金属用于催化还原nox、so2、烃类等有机物已有很多报道。而在水处理工艺中，由于铝氧化物廉价、比表面积大、热稳定和机械强度较好，也广泛地用作催化剂和催化剂载体。有报道发现单独使用活性氧化铝为催化剂与臭氧氧化联用，可大大提高对2-氯酚、草酸、丁二酸和水杨酸等的氧化降解。4 结语随着现代分析手段的进步，人们逐渐对水合铝氧化物表面的微观形貌和表面-吸附质的精细结构有了更多认识。对水处理工业来说，研制有特殊选择性的吸附剂，用简单的工艺制造价格低廉、性能优异的吸附剂是吸附理论和吸附剂未来研发的重要方向。参考文献1 梁美娜