水铝钙石,又称弗里德尔盐,属于层状双金属氢氧化物(LDHs)。自然界中,一般在粉煤灰、废弃油页岩、普通水泥等的淋滤过程中以二次沉淀的形式水合而成,也可在一些固体废物中沉淀。在实验室条件下,一般通过钙盐和铝盐共沉淀来合成。近年来,水铝钙石在处理废水、污水和固体材料中的有害阴离子方面的研究得到不断发展,其去除机理包括表面吸附、离子交换和溶解沉淀等。众所周知,对层状双金属氢氧化物进行热处理可以有效增强其对阴离子的去除能力,因此要用水铝钙石更高效地去除水中的有害阴离子需要充分了解水铝钙石在热处理过程中的特性。已有文献提到,在一定温度范围内焙烧水铝钙石得到的非定型产物暴露在空气或水中时,可以自动恢复其层状结构,这种现象被称为“结构记忆效应”。目前,水铝钙石的结构记忆效应尚未得到系统讨论。本文着眼于水铝钙石这种阴离子粘土,从三个部分展开讨论。首先,提出一种简单、新颖的水铝钙石合成方法——金属氧化物合成法。希望用Ca、Al的氧化物或氢氧化物通过简单混合得到纯度较高的水铝钙石,从而提出更加简便、经济的水铝钙石合成工艺;其次在获得充足实验数据和检测数据的基础上,系统讨论水铝钙石在400—1500 °C内焙烧与加水恢复的“结构记忆效应”;然后,用水铝钙石处理氟、砷的水溶液,其中砷分别用砷酸氢二钠(As(V))和三氧化二砷(As(III))配制,并详细讨论水铝钙石对氟、砷的去除效果与机理。本文主要结论如下:1. 金属氧化物简单混合生成水铝钙石的实验中,氧化钙/氧化铝的组合效果最好。虽然固体产物中已经大量出现水铝钙石,但仍含有较多杂质,归纳总结原因如下:首先,实验中用的氧化铝是原粒径约3~5mm的活性氧化铝球经人工研磨并通过直径为0.25mm的标准筛的粉末,其比表面积和孔隙度可能偏小,因而降低了水合反应效率。其次,本实验的所有反应均在恒温水域振荡器中进行,低温反应的混合溶液装于100mL PET瓶,高温反应的混合溶液装于100mL玻璃瓶。一方面,反应结束后瓶底总有沉淀,即反应进行时固液两相不能充分混合;另一方面,由于恒温水域振荡器中的水蒸发较快,尤其是高温反应过程中要经常加入自来水,这不仅费时、费力、损伤仪器,而且不能保证反应在恒定温度下充分进行。2. 本论文中首次系统的讨论了在一个较大温度范围(400—1500 °C)内焙烧水铝钙石的产物在去离子水中的再生情况。通过实验分析得出以下结论:600 °C以下焙烧水铝钙石,其正电结构([Ca2Al(OH)6]+)不变,很容易与空气或溶液中的水分子发生水合而自动复原原始结构;600—900 °C范围内焙烧水铝钙石生成钙铝石(Ca12Al14O33)和氧化钙(CaO),二者在去离子水中溶解再沉淀生成水铝钙石。值得注意的是,水铝钙石在高于600 °C的焙烧产物中出现一定量碳酸钙固体,它的形成则归因于此时钙铝石和氧化钙混合物为一种高效CO2吸附剂;但其在1000 °C以上的焙烧产物只有部分能够恢复初始结构,且随温度升高水合产物中水化铝酸钙逐渐增多,再生水铝钙石逐渐减少。3. 溶液中氟浓度较低(4. 与除氟过程不同,水铝钙石主要通过溶解-沉淀机理去除水中的As(V),由于As(V)在不同pH值条件下的存在形态不同,其去除过程可能生成多种固体。这些固体中,可能存在一种或多种溶度积常数随温度变化不大或者随温度升高而降低的化合物,因而升高反应温度时,可以显著提高水铝钙石对溶液中As(V)的去除效果。若溶液中有其它阴离子存在时,如HCO3-、Cl-、SO42-等,均在一定程度上降低了As(V)的去除率,经分析,这些阴离子与溶液中的Ca、Al等可以生成溶度积常数更小的沉淀故导致除砷率降低。总之,水铝钙石也具有较强的除砷As(V)能力,其最高除砷As(V)容量可达到361.7mg/g。5. 水铝钙石与由As2O3配制的三价砷溶液反应24小时,溶液中的砷浓度没有减少,且升高温度也不能促进其对三价砷的去除,这可能是由于溶液中的As(III)很难与Ca2+、Al3+等形成络合物。