氟是人体生命活动中必需的微量元素之一，但若氟化物摄入超量容易引起氟牙症、氟骨症等疾病。我国《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）规定饮用水中氟离子浓度应小于1.0mg/L，但部分农村的地下水氟离子浓度处于1.1mg/L~15mg/L之间。因此，快速有效保障饮用水中氟离子浓度达标，减少饮用水型氟中毒刻不容缓。
吸附法具有低成本、易操作、可重复使用等特点，常用于水的除氟。活性炭因其表面积大、孔结构发达、表面官能团丰富，是吸附法去除污染物的最常用材料。然而对于阴离子型水污染物，单独使用活性炭的效果并不理想，有研究发现利用金属氧化物或氢氧化物改性的活性炭可以提高其对氟离子的吸附选择性。活性氧化铝被认为是最有效的除氟剂之一。因此，通过探究铝改性活性炭(Al-AC）最佳制备温度，并考察所制得的Al-AC在投加量、吸附时间和初始浓度等不同条件下对去除水体中氟化物的性能影响。
1、材料与方法
1.1 材料
活性炭(AC)为市售所购，NaF、AlCl3、氨水等为西陇科学股份有限公司产品。
1.2 铝改性活性炭的制备
将5g活性炭(AC)加入100mL的0.3mol/LAlCl3溶液并搅匀，同时用3mol/L氨水将溶液pH调至7，静置沉淀完全后过滤分离，将沉淀物于100℃烘箱烘2小时，后移入氮气氛炉中烧制，烧制条件：以升温速率10℃/min升温至目标温度，维持2小时，后在氮气氛下自然降至室温。取出样品研磨备用，得成品即为铝改性活性炭(Al-AC)。
1.3 氟离子吸附实验
1.3.1 投加量对氟离子吸附的影响
分别称取Al-AC0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1g置于50ml锥形瓶，各加入浓度10mg/L的氟溶液10mL，在25℃、搅拌转速150r/min条件下吸附120min，过滤分离后，使用氟离子电极法测量滤液中F-的浓度。
1.3.2 吸附时间对氟离子吸附的影响
取9份Al-AC各0.04g，置于50ml锥形瓶，分别加入浓度10mg/L的氟溶液10mL，在25℃、搅拌转速150r/min条件下分别吸附5、15、30、60、120、180、240、300、360min，过滤并测量滤液的F-浓度。
1.3.3 F-初始浓度对氟离子吸附的影响
取6份Al-AC各0.04g，置于50ml锥形瓶，分别移取F-浓度为5、10、20、30、40、50mg/L的氟溶液10mL加到上述锥形瓶，在25℃、搅拌转速150r/min条件下，吸附120min，过滤并测量滤液的F-浓度。
1.3.4 pH对氟离子吸附的影响
取6份Al-AC各0.04g，置于50ml锥形瓶，分别移取10mL、pH分别为2、4、6、8、10、12的10mg/L氟溶液到各锥形瓶，在25℃、搅拌转速150r/min条件下，吸附120min，过滤并测量滤液的F-浓度。
2、结果与讨论
2.1 AC和Al-AC的除氟性能
图1是AC和Al-AC对F-的吸附容量。图中明显的可见，Al-AC对F-的吸附容量大于AC，在25℃、F-初始浓度为10mg/L、投加量1g/L、吸附时间120min条件时，Al-AC和AC对F-的吸附容量qe分别为0.951mg/g和0.563mg/g，即相同条件下Al-AC对F-的吸附容量比AC高68.9%。
2.2 烧制温度对Al-AC除氟性能的影响
图2为不同烧制温度条件制得的Al-AC的除氟性能。由图2可知，随烧制温度增加，Al-AC的吸附容量呈先增大后减小的趋势，当烧制温度500℃时Al-AC对氟化物的吸附容量最大。这是由于烧制温度过低，不利于金属氢氧化物的分解，会导致形成不完全的孔结构，不利于对氟化物的吸附。但当烧制温度过高时，会使得金属氧化物颗粒过度结晶和团聚，造成活性炭孔洞的堵塞，使吸附能力降低。因此，将最佳烧制温度定为500℃。
2.3 投加量对Al-AC吸附容量的影响
不同投加量下，Al-AC对氟化物的吸附量的变化与对应除氟效率见图3。由图3所示，随着Al-AC投加量的增加，其对溶液中F-吸附量逐渐减小，然而去除率显著增加。当Al-AC投加量为0.04g时，去除率为95.4%，之后随着投加量的增加，去除率变化很小，几乎趋于平衡，故认为最佳Al-AC投加量为0.04g。
2.4 吸附时间对Al-AC除氟性能的影响
由图4所示，溶液中F-的去除率随着吸附时间的增加而显著增加，去除率快速增加的原因是因为在初始阶段在Al-AC上有大量的吸附位点。当吸附时间达到120min时，去除率为96.5%，进一步延长吸附时间，F-的去除率趋于不变。因此，将最佳吸附时间定为120min。
2.5 F-初始浓度对Al-AC除氟性能的影响
由图5所示，随着F-初始浓度的增加，溶液中F-去除率展示出先增加后减少的趋向。当F-初始浓度为10mg/L时，F-去除率最大为96.4%，因此将最佳F-初始浓度定为10mg/L。
2.6 pH对Al-AC除氟性能的影响
由图6所示，随着pH值的增加，Al-AC对F-的去除率展示出先增加后减少的趋势。在pH为6时，去除率最大为96.6%。当pH小于6时，去除率低的原因可能是因为HF-的生成。值得注意的是，当pH大于10时，去除率明显减少，可能是因为溶液中的羟基离子与F-竞争引起，因此离子交换可能是Al-AC吸附F-的重要途径。
2.7 Al-AC的吸附等温线研究
如图7和表1所示，在298K的条件下，实验数据通过Langmuir和F-reundlich两种模型拟合得到的相关系数R分别为0.93和0.94，表明F-reundlich模型更加适用于拟合该吸附过程，Al-AC对氟化物的吸附过程主要归因于多层吸附。此外Langmuir模型计算得到Al-AC对F-的最大吸附量为5.08mg/g。
3、结论
通过研究不同因素对Al-AC除氟效果的影响，可以得出以下结论：
(1)Al-AC的最佳烧制温度为500℃，Al的掺杂使AC对氟化物的去除性能提高68.9%。
(2)Al-AC除氟的最佳条件为：25℃时，F-初始浓度10mg/L下，Al-AC的投加量4g/L、吸附时间120min、pH=6。
(3)通过研究Al-AC的吸附等温线模型发现，在298K的条件下，Al-AC对F-的最大吸附量为5.08mg/g;F-reundlich模型更加适用于拟合该吸附过程，表明Al-AC对氟化物的吸附过程主要归因于多层吸附。（来源：(环境与资源学院、碳中和现代产业学院，福建师范大学环境科学研究所，城市废物资源化技术与管理福建省高校工程研究中心，福建省污染控制与资源循环利用重点实验室，福州市环境科学研究院）