鋁氧化物—水界面化學及其在水處理中的應用

張克軍

摘要：在天然水體中，各種金屬離子的遷移轉化形式都受到鋁氧化物礦物表面反應的影響。在工業領域的水處理工作中，鋁氧化物的水合表面的吸附能力往往會作為交換劑或者是催化劑的形式載體，因此，研究人員對鋁氧化物進行深入研究具有一定的現實意義。文章對鋁氧化物-水界面化學及其在水處理中的應用情況進行了分析，僅供參考。

關鍵詞：鋁氧化物-水界面化學；酸堿中和特性；離子強度；吸附能力；水處理；天然水體 文獻標識碼：A

中圖分類號：X131 文章編號：1009-2374（2015）27-0063-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.27.033

我國的礦產資源相對來說比較豐富，其中鋁土礦資源是典型的代表。鋁氧化物包含的內容比較多，其中包括氧化鋁以及水和氧化鋁等不同的物質。這種類型的礦物質往往會存在于天然水體沉淀物中。氧化物通過最終的反應會對礦物的溶解、風化以及沉淀的程度產生嚴重的影響，同時還可以控制元素分配的情況。在社會發展的諸多領域，鋁氧化物都會作為原料來應用，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與形貌特征

從鋁氧化物的類型上看，主要可以分為結晶態、凝膠態以及無定形態三種類型。出現這些氧化物主要是由于提煉方式和制備方式等方面都產生嚴重的差異，無論是反應溫度還是酸堿中和指數等都出現嚴重的變化。而且，不同種類型的鋁氧化物形式在結構上都存在著一定的差異。不僅如此，顆粒的形貌、表面結構以及化學性質等方面都會出現差異形式。

結晶態的鋁氧化物具有比較清晰和完整的晶格結構，而且還存在著變體結構。從現如今的研究中可以看出，氫氧化鋁的變體結構已有4種。在工業生產領域中，鋁氧化物在不借助任何晶種的情況下，如果溫度達到一定的標準就會出現脫水的現象，物質還可以進行轉化。氧化鋁變體的結構比較復雜，無論是晶體結構還是形態結構都有嚴重的差異，因此，在研究的過程中，工作人員應該對各種不同變體的密度、孔徑以及表面積等因素進行分析。從現如今的研究中可以看出，γ形態的氧化鋁被公認為缺陷結構比較明顯，因此晶體結構就受到嚴重的影響。

2 鋁氧化物表面化學性質

2.1 表面酸堿反應與荷電行為

鋁氧化物和水體相結合就是人們常說的水結合，在其界面上會出現一定的電離子形式。荷電離子會出現變化，最終使得鋁氧化表面呈現出羥基化的狀態。在這種狀態下，羥基可離子化結構會呈現出各種不同的酸堿性質，同時還會受到界面靜電場整體強度的影響。在水溶液當中，鋁氧化物表面的帶電部分和溶液中的離子結構相互作用會形成雙電層結構，帶電表面的基團也會出現相互干擾的現象。因此，氧化物的表面也會出現各種離子相互干擾的現象。在發生酸堿中和反應的過程中，電荷密度的數值會受到法拉第指數、氫氧根離子量以及溶液pH值等因素的影響。溶液中的配體在正常反應的基礎上還會進行一定的反應，因此，這也是實驗的難度之

所在。

酸堿滴定方式是測定酸堿反應的比較典型的手段，從20世紀70年代開始，對鋁氧化物的報道數量明顯增加，尤其是對鋁氧化物的PZC值和其結構類型相關。所以說，對晶體結構的形貌特征以及表面的化學成分都是研究的重點。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 表面酸堿反應模型

鋁氧化物表面的電荷機理可以用表面的吸附反應來進行解釋，因此，建立相對比較重要的模型形式才能夠系統直觀地展現出多種反應形式。研究人員在進行結晶學的研究的試驗中發現，不同的學者從不同的角度來對表面羥基進行了分析，建立了不同形式的模型結構，金屬氧化物的表面存在著金屬離子配合的氧基，同時也會伴隨著吸附和轉移反應在其中。

由于表面羥基的類型、密度以及酸度常數都比較特殊，因此，結晶學的信息很難對相關的數據進行推測，所以說，低潔凈度和無定形礦物都會受到嚴重的限制。

2.3 表面吸附反應

經過多年的研究和分析，人們在氧化物吸附反應方面已經取得了一定的成效。人們對各種不同的模型進行描述和預測，從計算參數、使用方式等方面入手，深入研究表面吸附的反應情況。對于這種吸附行為來說，用半經驗的模型結構對其進行明確比較重要。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合情況都需要和酸堿模型相結合，在水合金屬氧化物表面上出現嚴重的吸附現象。內層和外層絡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合位置的差異而產生。

金屬氧化物表面上的吸附作用在產生的過程中也會嚴重地影響到溶液的分配情況，同時也改變著荷電的狀態。吸附作用的形成需要吸附劑和吸附質兩種形式共同形成。在此過程中還會受到溶液的酸堿中和指數以及離子強度的影響。在各種反應介質中，酸堿中和指數和電解質不僅會嚴重地影響到電荷值、離子指數，還會直接影響到金屬離子的解離程度和最終的形態。

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等，同時溶液的酸堿中和指數以及離子的強度等都是不可缺少的影響

因素。

2.4 鋁氧化物的溶解

對于鋁氧化物來說，酸堿兩性的可溶性比較突出，在對其水合性質進行考慮的過程中，研究人員需要對溶液的性質以及表面的吸附反應等因素進行分析。溶液在反應的過程中，很容易受到溶解速度以及反應時間的影響。研究學者對三水鋁石的溶解程度進行了深入的研究，最終得出結論，在對其表面進行控制的過程中，SO42-、Si（OH）4以及C6O7H8可以增強鋁的溶出度。同時，氟化物也或多或少地存在，在這一過程中，HQS對于鋁氧化物會起到一定的促進作用，砷酸鹽物質的反應則不會出現這種現象。

3 鋁氧化物在水處理中的應用

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、降低運行成本，要求吸附劑應當具備吸附能力強、反應速度快、成本低、易再生、易回收、重復使用性能好的特點。活性氧化鋁制品由于具有高比表面積、在水中表面羥基化可產生活性位點、微孔表面吸附能力強、對多數無機離子和部分有機物都有較強的吸附能力、可以方便地用酸/堿溶液再生且價格低廉等優點，在水處理中應用廣泛。工業上使用的活性氧化鋁主要指各種過渡態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中，使用氧化鋁為載體負載Ag、Cu等金屬用于催化還原NOx、SO2、烴類等有機物已有很多報道。而在水處理工藝中，由于鋁氧化物廉價、比表面積大、熱穩定和機械強度較好，也廣泛地用作催化劑和催化劑載體。有報道發現單獨使用活性氧化鋁為催化劑與臭氧氧化聯用，可大大提高對2-氯酚、草酸、丁二酸和水楊酸等的氧化降解。

4 結語

隨著現代分析手段的進步，人們逐漸對水合鋁氧化物表面的微觀形貌和表面-吸附質的精細結構有了更多認識。對水處理工業來說，研制有特殊選擇性的吸附劑，用簡單的工藝制造價格低廉、性能優異的吸附劑是吸附理論和吸附劑未來研發的重要方向。

參考文獻

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（責任編輯：陳 倩）