氟化铝是一种可溶于水的白色结晶物质,接触者可能会对眼睛、鼻子、喉咙和肺部造成刺激。长期接触可能会加重哮喘症状。
活性氧化铝是一种有效的除氟剂。它应与其他处理技术相结合,并保持 pH 值在 5.5-6.5 之间,以最大限度地提高其表面对氟的吸附能力。
化学结构
氟化铝(AlF3)是由一个铝原子和三个氟原子组成的无机化合物。它呈白色,密度比水大,无味,可溶于碱和酸,耐氧化;其分子对称性为 D3h 对称性,Al-F 键之间的键长为 163 pm;在蒸发时会形成分子二聚体,最终完全蒸发掉。
氟化铝具有离子结构,这是因为铝原子捐出了三个价电子,而氟原子也捐出了三个价电子,因此分别形成了带正电荷的铝离子和带负电荷的氟离子。此外,其占用率最高的分子轨道称为 p 轨道,需要 8 个电子来填充,因此铝原子和氟原子之间形成共价键。
只要水进入氟化铝,它就会形成水合物,分子式为 Al(F2)3,具有四方晶体结构。这种形式的氧化铝是金属铝生产中重要的氧化铝原料来源;此外,它还被广泛用作制备低指数薄膜的溅射靶材,以及陶瓷和玻璃生产中的发酵抑制剂和有机反应催化剂。
活性氧化铝可用于去除饮用水中过量的氟。为了达到最佳效果,处理系统必须在 pH 值为 5.5 和 6.5 之间运行,否则可能会析出超出委员会指令 2003/40/EEC 或国家适用法规规定的杂质。
据观察,氟化铝可与多种蛋白质相互作用。它能有效抑制 PLD 的活性,PLD 是一种参与高尔基体囊泡运输的酶,在新陈代谢、细胞生长和分化过程中也发挥着不可或缺的作用,因为它通过 GTP/ATP 交换反应转移磷酸盐,而这些反应是生化反应的能量来源。
反应
AlF3(氟化铝)是氢氧化铝与氟在水中反应生成的,它是一种无色固体,熔点为摄氏 900 度,分子结构由三个氟原子与两个铝原子结合而成,形成四面体结构。AlF3 可以作为稀有矿物罗森博格岩在自然界中找到。
氟化铝极易溶于 pH 值为酸性的水,但在 pH 值为 7 的硬水中却无法检测到它的影响,而在碱性溶液中则极易溶解。高浓度的氟化铝会抑制蛋白质的合成,干扰细胞的能量代谢,诱导细胞凋亡;此外,吸入氟化铝还会刺激和中毒;氟化铝还会引起胃部不适,加重哮喘和慢性支气管炎等呼吸道疾病。
氟化铝还能抑制磷脂酶 D,这是一种参与细胞信号传递过程和细胞通讯途径的酶。磷脂酶 D 是涉及生长和分化过程的多种重要生物反应的关键调节剂,是磷酰转移反应的竞争性抑制剂,并具有异构特性。
活性氧化铝是一种用于饮用水除氟的高效吸附剂,在水分饱和的情况下可去除高达 76% 的氟化物。欧洲标准对其使用进行了规范,并规定其质量必须符合这些要求,以确保安全饮用。氧化铝必须定期更换,这取决于处理量和初始氟浓度水平;更换周期也因这些因素而异。
二氧化硅可以代替氧化铝作为惰性吸附剂,但其氟化物去除能力要低得多,孔径分布也不够均匀;同样,二氧化硅也不具有可逆性。明矾的除氟能力较强,但在溶液中会与其他离子形成不稳定的络合物,因此缺乏稳定性;此外,明矾在水中的溶解度较低,增加了水生系统中的腐蚀风险。
吸附
氧化铝对氟的吸附是处理高浓度氟离子水最广泛使用的方法之一,市政当局通常使用这种方法来去除过量的氟,如果氟含量过高,饮用后可能会中毒,但家庭用户也使用这种方法。氟离子与表面氧化铝颗粒之间的化学亲和力会产生吸附作用;强共价键将它们紧密结合在一起,使氟化物比硫酸盐、氯化物和溴化物吸附法更容易被吸附。
氟化铝在水溶液中的溶解度很高,是净化饮用水的理想选择。由于氧化铝氟化物的吸附能力强,可大量用于降低饮用水中的氟含量,其使用可能仅受初始氟浓度、pH 值、吸附剂剂量和接触时间的限制,因此,以最低的成本获得最高的效率是优化该工艺的关键所在。
本研究的主要目的是研究天然有机物(NOMs)和 pH 值对明矾浸渍氧化铝吸附氟化物的影响,特别是其氟化物吸附特性。通过扫描电子显微镜、Brunauer-Emmett-Teller(BET)、傅立叶变换红外光谱、傅立叶变换红外光谱、傅立叶变换红外光谱和 X 射线衍射测定了物理化学性质。模拟是通过 PHREEQC 地球化学建模软件建模实现的,使用的输入脚本来自网上的各种资料和文献中发表的多种资料。
结果表明,氧化铝表面对氟的吸附在很大程度上受 NOMs 和 pH 值的影响,在较高的 pH 值下,由于表面 OH- 被氟离子取代,氟被迅速吸附。吸附作用还取决于晶相,th-Al2O3(010)由于其晶格结构中存在高不饱和度的铝原子,因此特别具有活性。
氟化物过量
氟是人类膳食中不可或缺的元素,尤其是含量在 1-1.5 毫克*升-1 之间的氟,因为它能坚固牙齿并促进骨骼形成。然而,较高的浓度会导致骨骼和牙齿脱矿,从而导致牙齿和骨骼氟中毒1。
全世界的饮用水供应中都需要对氟化物进行严格控制,使其保持在百万分之 1.5(ppm)的最高允许含量以下。在许多国家,公共供水系统中已经添加了氟,以符合有关氟含量的适用标准和法律。
不过,由于其地理来源的原因,某些天然矿泉水的含氟量还是很高。此外,一些地下水和地表水源也含有较高浓度的氟。
吸附是降低饮用水中氟浓度的最有效、最经济的技术之一,其特点是表面积与重量比极大,吸附能力强。活性氧化铝 (AA) 具有微孔结构,可在稀碱溶液中使用后再生,因此被用作介质。
氧化铝最初被用于饮用水除氟,但多年来,许多材料都经过了测试并被证明是有效的,包括方解石、粘土、锯末、稻壳和花生壳等低成本材料,以及稀土氧化物(如铊(VI)和镱(VI))。遗憾的是,所有这些材料都只能在 pH 值非常高的情况下降低氟,因此氧化铝仍是首选介质。
氟化铝是一种刺激性化学品,吸入后可能会导致呼吸道刺激、鼻腔刺激和出血。此外,这种物质还被美国交通部危险化学品数据库认定为有毒物质,并被列为有毒物质,可能对肝脏和肾脏造成损害。如需了解有关氟化铝的更多信息,请访问 CAMEO 化学物质记录页面。