当前世界环境

介绍

氟化物是人类的营养需要之一，也是饮用水中自然存在的主要危害污染物¹。饮用水中氟化物的浓度决定了它是有益的还是有害的²。世界卫生组织建议，饮用水的氟化物含量应低于1.5毫克/升^3.。在印度，即使经过基本的商业净化，更多的邦人仍在饮用含氟量较高的水⁴。过量的氟化物摄入导致了氟牙症和氟骨症⁵。最容易识别的黄色或棕色牙齿表明该人正在受到氟斑牙的影响。过量的氟化物不仅会导致龋齿，还会对人体健康造成连续的影响，甚至导致人体活动能力的丧失⁶。因此，在过去的三十年里，研究人员的注意力转向了通过各种化学和物理方法去除氟化物。采用了许多传统技术，成功地消除了饮用水中的氟化物^{7 - 10}。其中，生物吸附法是一种经济、环保的方法，但文献报道较少^{11 - 13}。因此，为了确定几种更有效的生物吸附剂用于除氟，本研究小组将重点放在一些草药植物上，并在这里介绍了一种从圣罗勒中提取的最佳生物吸附剂罗勒属tenuiflorum叶子，在印度俗称图尔西。罗勒属tenuiflorum是一种从古代通过整体脚本的多功能药用植物。它是一种廉价的草本植物，在整个印度，特别是在印度南部。本项目的核心目标是通过批量实验，研究制备的生物吸附剂在氟浓度、接触时间、吸附剂剂量、不同吸附剂粒径和不同天然共阴离子条件下的除氟效果。除此之外，还报道了吸附剂的特征行为和物理性质的变化。

实验方法

Bioadsorbent准备

确定了吸附材料圣罗勒罗勒属tenuiflorumL. (tulsi)叶粉末可从印度Tirunelveli Siddha医学院校园的Siddha药房购买。放置阴凉干燥24小时。干燥后，对样品进行进一步研磨，得到细粉状物料。该粉末样品在378 K下风箱干燥24小时。然后用马弗炉将干燥后的中草药粉代替酸炙，在800℃下进行热炙得到活性吸附剂。然后将获得的生物吸附剂冷却几个小时，进一步研磨并筛选到所需的不同粒度，并在实验前在钙干燥器中保存一小时。本研究中使用了分析级化学药品和试剂，并按原样使用。整个研究过程中都使用了双重蒸馏水。在需要的地方使用Whatmann No.41滤纸进行过滤。

间歇吸附研究

在吸附研究中，批量平衡法是确定吸附剂效能的最佳方法。在本次除氟研究中，采用了类似的间歇式平衡方法，特别是在中性pH下，以寻找所制备的生物吸附剂在各种气候条件下的适应性。将NaF原液配制成1000 mg/L的吸附液，用二次蒸馏水配制成不同浓度的氟溶液进行实验。作为中试，对100 mL 3.0 mg/L的氟溶液进行吸附剂剂量变化研究，吸附剂剂量为0.25 ~ 2.00 g/L，吸附剂在室温下增加0.25 g，接触时间为60 min。除吸附剂剂量效应研究外，所有实验均以1.5 g/L作为初始吸附剂剂量。

首先研究了接触时间和氟浓度的影响，将吸附接触时间从15分钟增加到3小时，每增加15分钟。同样的一组实验接着是2- 10mg /L溶液的不同初始氟化物浓度。从这组研究中，确定了最佳接触时间和氟化物浓度，并追溯到随后的批量实验。通过设定吸附剂与吸附剂的接触时间和不同初始氟浓度，研究了吸附剂投加量和吸附剂粒径的影响。

此外，为了考察制备的生物吸附剂的有效除氟性能，在天然地下水条件下，除氟化物外，还存在氯离子、硝酸盐、硫酸盐和碳酸氢盐等共阴离子，进行了一组批量实验。一般来说，由于缺乏优质水，不同地区的便携式饮用地下水中碳酸氢盐含量在200毫克/升至500毫克/升之间;氯化物浓度高达250毫克/升;硝酸盐高达120毫克/升，硫酸盐高达200毫克/升¹⁴。因此，实验在不同浓度的共阴离子下进行，如100,200,300,400和500mg /L3.0 mg/L F^-浓度。其余实验除对不同氟化物浓度的影响进行研究外，初始吸附质浓度为3.0 mg/L，与印度南部地下水条件相似。

一般采用旋转振动筛对反应物进行彻底的震动，转速保持在200转/分。然后用Whatmann 41号滤纸过滤掉溶液。然后用Orion - 9离子选择仪对上清液进行氟化物浓度分析。将剩余物中的吸附剂在100℃热风炉中干燥，然后储存用于吸附特性研究。利用公式计算了吸附剂的除氟能力¹⁵，



在哪里问_e为除氟能力(mg/g);C_o为初始浓度(mg/L);C_e为平衡残留浓度(mg/L);W为吸附剂质量(g)。所有结果均采用MS-Excel 2013和Origin Pro 9.0软件进行计算。

Bioadsorbent表征

的物理和形态性质罗勒属tenuiflorum采用Bruker AXS D8 Advance, Inst ID: OCPL/ARD/26-002 x射线衍射仪(NIIST, Trivandrum)和Philips XL-20电子显微镜(配有能量色散x射线分析仪(EDAX) (SAIF, Pondicherry University))对制备的生物吸附剂进行了定性检测和定位。此外，实验用的FT-IR光谱用美国热电公司生产的Nicolet 6700分光光度计(本地治里大学物理系)记录。

结果与讨论

接触时间与氟浓度的作用

接触时间的作用罗勒属tenuiflorum在保持吸附剂剂量、粒径、温度、pH值和氟浓度等参数不变的情况下，采用15 ~ 180分钟的时间间隔进行生物吸附剂与溶液的相互作用，以确定更高脱氟的最佳时间。相应的，在氟化物浓度为2 ~ 10 mg/L时，以2 mg/L的增量进行吸附质氟化物的变化研究。所有批次结果如图1所示。在分析图1时，在吸附研究中发现了两个不同的相。其中初始阶段在接触时间90分钟前速度较快，第二阶段在接触时间90分钟后速度很慢。因此，接下来的实验均以接触时间90分钟为研究对象。这是由于生物吸附剂上没有进一步吸附氟化物的结合位点。此外，由图1可知，在低氟浓度下，吸附剂表面结合的吸附态氟的数量最大，因此除氟率非常高。但在浓度较高的情况下，由于氟离子的可用性较高，吸附氟的量百分比会变低。2 mg/L和3 mg/L浓度的氟化物溶液的吸附效率相似，这可能是由于溶液浓度和固相之间的平衡所致罗勒属tenuiflorumbioadsorbent为基础。

图1:接触时间与初始氟化物浓度对凤尾草生物吸附剂吸附性能的影响(条件:pH - 7.0;温度- 298 K，吸附剂剂量- 1.5 g/L) 点击此处查看图

生物吸附剂剂量和粒径的影响

不同剂量的罗勒属tenuiflorum采用固定氟浓度、接触时间、吸附剂粒径、pH值和温度的标准氟溶液对生物吸附剂的除氟效果进行了评价。由图2可以看出，当吸附剂用量从0.25 g/L增加到2.0 g/L时，除氟效率从46%提高到88.93%。当吸附剂浓度为1.5 g/L时，氟的去除率达到了88.3%，进一步提高吸附剂的剂量并不能提供有价值的去除率。溶液所需的最低浓度定义了其平衡阶段，因此在1.5 g/L吸附剂剂量后没有有效的观察。这个剂量被认为是最佳的，并用于进一步的实验。吸附剂剂量随分布系数变化曲线图图3K_D给出吸附剂的多相性质信息⁷。

图2:吸附剂用量对除氟能力的影响(条件:pH - 7.0;温度- 298 K，氟化物浓度- 3毫克/升)。 点击此处查看图

图3:分布系数KD吸附剂剂量研究曲线 点击此处查看图

在上述最佳吸附剂用量为1.5 g/L的情况下，<53、53 - 106、106-150、150-225、225-303µm的各种粒径的罗勒属tenuiflorum在保持其余参数不变的情况下，对生物吸附剂的除氟效率进行了研究，结果如图4所示。显然，粒径<53µm的吸附剂除氟效率较高，而其他吸附剂的除氟效率随粒径的增大而降低^5、11。结果符合吸附的基本原理，即粒径越小，吸附剂的表面积越大，吸附量越大。

图4:吸附剂粒径对除氟模式的影响(条件:pH - 7.0;温度- 298 K，吸附剂剂量- 1.5 g/L，氟化物浓度- 3 mg/L)。 点击此处查看图

共存阴离子的干扰

除氟离子外，地下水中还存在其他阴离子，即碳酸氢盐、硫酸盐、硝酸盐、氯化物。因此，使用吸附剂分别在这些阴离子存在下进行除氟实验。这些干扰离子对水除氟的影响罗勒属tenuiflorum生物吸附剂如图5所示。从图中可以看出，硫酸盐和碳酸氢盐对该吸附剂的脱氟有显著的干扰作用，而硝酸盐和氯离子对该吸附剂的脱氟干扰较小罗勒属tenuiflorumbioadsorbent。这可能是因为氯离子的电负性比氟离子和单价离子小。但碳酸氢盐和硫酸盐即使在最低浓度为100 mg/L和200 mg/L时也会影响除氟。这是因为它们的结构庞大;它们保护了吸附剂表面的大表面积，使其不受更多氟离子的亲和力的影响，因此观察到制备的生物吸附剂的除氟能力意外下降⁶。

图5:细菌对竹叶草基生物吸附剂除氟能力的干扰(条件:pH - 7.0;温度- 298 K，吸附剂剂量- 1.5 g/L，氟化物浓度- 3 mg/L) 点击此处查看图

形态特征的仪器分析

的SEM形貌罗勒属tenuiflorum生物吸附剂及其含氟吸附剂如图6a和6b所示。图6a证实了吸附剂固体颗粒的清晰形态。通过对两幅图像的比较，可以很清楚地看出，活性炭对氟化物的吸附作用通过污泥的外观更为突出。经氟吸附和未处理吸附剂的EDAX光谱通过图7a和7b提供了额外的证据，揭示了图7b中氟元素的存在，并有力地支持了氟与吸附剂的相互作用。处理后和未处理的生物吸附剂的XRD谱图如图8所示。由于氟离子堵塞了生物吸附剂的孔隙和细表面，氟处理后的吸附剂的XRD失去了自身突出的可识别峰。它证实了氟吸附在罗勒属tenuiflorumbioadsorbent。图9的FTIR光谱显示-OH拉伸带尺度为3261 cm^{? 1}- 3669厘米^{? 1};其他波段在1451厘米^{? 1}由层间水分子分配¹⁶。波段1046厘米^{? 1}566厘米^{? 1}是由于金属- oh键的拉伸¹⁷。用氟溶液处理后，由于氟与吸附剂中存在的金属相互作用，这些峰的强度发生了变化。

图6:(a)未经处理的和(b)经氟处理的茴香生物吸附剂的扫描电镜图像。 点击此处查看图

图7:(a)未经处理的和(b)经氟处理的茴香生物吸附剂的EDAX光谱 点击此处查看图

图8:氟处理和未处理的凤尾草生物吸附剂的XRD谱图。 点击此处查看图

图9:纯和氟处理过的凤尾草生物吸附剂的红外光谱。 点击此处查看图

结论

饮用水中的高氟化物污染物是一个严重的问题，因为它会造成许多健康影响，尽管它是人类健康的基本要素。因此，许多研究人员通过不同的除氟方法将饮用水中的氟化物去除到允许的限度，其中吸附法是一种经济有效的方法。本研究成功地制备了生物吸附剂罗勒属tenuiflorum在印度通常被称为图尔西。采用间歇平衡法，通过改变不同浓度的氟化物(吸附物)、不同吸附剂剂量及其不同粒径，来了解制备的生物吸附剂的吸附能力。研究结果表明，接触时间为90分钟是有效的最佳除氟时间罗勒属tenuiflorum基于生物吸附剂的所有浓度在PPM范围内的氟化物。粒径< 53 μ m时，溶液介质中氟化物的浸出率较高。重要的是，在吸附剂用量为1.5 g/L时，可以在吸附剂-溶液平衡时吸附最大有效氟。除了了解实际水环境下的除氟效果外，还进行了氯离子、硝酸盐、硫酸盐和碳酸氢盐共存阴离子的批量研究。结果表明，硫酸盐和碳酸氢盐的存在在很大程度上干扰了吸附剂与氟化物的相互作用，因为它们占据了吸附剂表面的大片面积。但硝酸盐和氯化物的存在对制备的生物吸附剂的除氟能力没有显著影响。在所有上述最佳条件下，最大除氟能力由罗勒属tenuiflorum基生物吸附剂达到1766 mg/kg。SEM, EDAX, XRD和FT-IR等光谱表征也支持氟化物浸出到吸附剂部位，提供了SEM图像形态学的重要发现，EDAX光谱中存在氟元素，XRD和FT-IR光谱峰的变化值得注意。总的调查结果得出的结论是罗勒属tenuiflorum基于生物吸附剂不仅可以作为除氟剂，还可以用于更多的吸附重金属去除研究。

确认

作者感谢g.u.博士的管理。Pope 's College of Engineering, Sawyerpuram为这项工作提供了设备。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

资金来源

本研究工作没有资金或财政支持。

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