氧化铝对硅酸的吸附去除机理

在水资源的再生利用过程中，水处理设备表面 及输水管道内壁产生坚硬密实、导热系数小、不溶于普通酸碱且易与其他类型水垢发生作用的硅酸水垢〔1-2〕。在工业锅炉中，硅酸水垢一旦形成，不仅本身致密坚硬难处理，还易与其他离子作用增加水垢量，从而增大传热阻力，造成燃料浪费〔3-4〕。在工业循环冷却水系统中，随着循环过程水分不断蒸发，硅酸达到过饱和浓度，并沉淀在管道内壁，堵塞管道，降低流量〔5〕。在用膜进行海水脱盐的过程中，同样产生硅酸水垢附着在膜表面造成堵塞，膜清理又有可能进一步造成膜组件的损坏，严重影响膜的使用寿命，增加运行成本〔6〕。在电子工业方面，二氧化硅的存在降低了电导管和固体电路的质量，要求硅含量不得超过1 μg/L〔7〕。因此，硅垢的形成危害社会生产活动，对经济造成了一定的损失。

目前所用的除硅技术主要有两种：一是设备内水处理方法，通过添加阻垢剂来防止硅垢产生〔8-9〕；二是设备外水处理方法，即通过预处理来降低硅酸浓度，此法又分为物理法和化学法两类〔10〕。其中化学混凝法作为一种较为广泛的去除技术，主要包括向溶液中添加铝、铁、钙、镁的盐或氢氧化物作为絮凝剂，使之与硅酸发生吸附和絮凝反应来达到去除硅酸的目的〔11〕。目前去除硅酸的吸附剂主要以无机氧化物为主，如氧化镁、氧化钙、氧化铁或氧化铝等〔12〕，其中使用最多的是氧化铝吸附剂等〔13〕利用MgO作为吸附剂可去除水体中的硅酸，发现MgO通过先溶解再沉淀的机理去除水体中95%以上的硅酸等〔14〕用电荷分布模式和多点表面配位模式研究了FeOOH对硅酸的吸附机制，结果表明，硅酸通过双齿吸附在FeOOH的外表面等〔15〕指出，活化氧化铝对硅酸的吸附属于选择性吸附，适合去除盐湖水或地热水中的硅酸。但关于氧化铝吸附硅酸的机理研究较少等〔16〕研究了铝离子对硅酸聚合沉淀的影响，发现铝离子可以取代聚硅酸中的硅原子形成四配位的硅铝酸盐，通过表面带负电荷阻止硅酸的进一步聚合。但氧化铝吸附离子态硅酸的机理研究还未见报道。因此，本研究以氧化铝作为吸附剂，通过改变pH和投加量探讨了氧化铝吸附去除硅酸的影响因素，测定27Al MAS NMR（固体核磁共振）并观察SEM-EDX扫描图，探讨了氧化铝吸附硅酸的机理。

1 实验

1.1 实验试剂及仪器

本实验所用的试剂均为分析纯，溶液均用超纯水配制。

（1）氧化铝：型号 MP Alumina N-Super1，购自德国的MP生物医学股份有限公司，比表面积为200 m2/g。

（2）硅酸储备液配制：将 Na2SiO3·9H2O 溶解到0.1 mol/L NaOH中，ICP分析硅酸质量浓度为1 000 mg/L。

（3）主要仪器设备：OPTIMA 8000 ICP-OES，美国PE公司；pHS-3C型pH计，上海越平科学仪器（苏州）制造有限公司；RH BASIC1磁力搅拌器，德国IKA公司；ME403E电子天平，瑞士梅特勒公司；DSX 300核磁共振光谱仪，德国布鲁克公司；SS-550扫描电子显微镜，日本岛津公司。

1.2 氧化铝吸附硅酸实验步骤

1.2.1 pH对吸附的影响

取500 mL质量浓度为50 mg/L的硅酸溶液，调节pH到6左右，向溶液中加入5 g氧化铝，再将pH调节到6左右，于25℃下搅拌24 h。设定添加氧化铝的时刻为起始时间，每隔一段时间取样，用0.45μm滤膜过滤，利用ICP-OES测定滤液中硅酸浓度。用同样的方法分别进行pH=4和pH=8条件下的吸附实验。

1.2.2 氧化铝投加量对吸附的影响

取4份500 mL质量浓度为50 mg/L的硅酸溶液，调节pH到6左右，分别向溶液中加入0.05、0.10、0.50、1.00 g的氧化铝，再将pH调节到6左右，于25℃下搅拌24 h。每隔一段时间取样，用0.45μm滤膜过滤，利用ICP-AES测定滤液中硅酸浓度，并计算不同氧化铝投加量下的平衡吸附量与吸附率，进行等温吸附研究。

1.2.3 滤渣氧化铝的27Al MAS NMR的测定

为分析吸附在氧化铝表面的硅酸的吸附行为，配制100 mL质量浓度为300 mg/L（为提高测定核磁共振的灵敏度，本部分实验设硅酸浓度为实验1.2.2的6倍）的硅酸溶液，将其pH调到8附近。向此溶液中加入0.50 g的氧化铝，搅拌48 h后过滤得到滤渣。自然干燥滤渣，测定滤渣的27Al MAS NMR。

1.2.4 对滤渣氧化铝的SEM-EDX观察

对上述实验中得到的滤渣样品进行扫描电子显微镜（SHMADZUSS-550）观察，并进行了EDX分析。

2 结果与讨论

2.1 pH对硅酸吸附的影响

文章来源：《硅酸盐学报》 网址: http://www.gsyxbzz.cn/qikandaodu/2021/0203/417.html