MgO纳米片对地热热水中氟离子的快速吸附性能及表面化学机理研究

《Molecules》：Light Magnesium Oxide Nanosheets for Efficient Fluoride Removal from Geothermal Water: Rapid Adsorption and Mechanistic Insights

　　

摘要

氟污染是青藏高原等高海拔地区持续存在的饮用水水质问题。本研究考察了轻质氧化镁（MgO）纳米片对地热热水中氟离子的吸附作用，重点探讨其吸附性能及内在机理。系统评估了MgO用量、温度、接触时间和初始氟浓度等因素的影响，并利用SEM、EDS、HRTEM、BET、FTIR及XPS对氟吸附前后MgO的理化性质变化进行了表征。结果表明，MgO纳米片表面具有大量羟基，在高温条件下可实现氟离子的快速吸附。在70 °C、MgO用量为3 g/L时，10 min内即可吸附超过95%的氟离子。当初始氟浓度为500 mg/L时，饱和吸附容量达到87.167 mg/g。动力学分析显示吸附过程经历了快速的初始吸附阶段和较慢的后续吸附阶段，其中颗粒内扩散对整体吸附过程有贡献，但并非唯一控制因素。平衡数据用Langmuir模型拟合优于Freundlich模型（R² = 0.940 vs. 0.725），表明吸附表面位点相对均匀。FTIR和XPS分析揭示了水接触及氟吸附后表面化学环境的显著变化。这些变化表明，水诱导的水合与羟基化作用生成了活性Mg–OH位点，随后通过羟基-氟交换及Mg–F相关表面物种的形成与氟离子发生相互作用。上述发现突出了表面化学相互作用对MgO纳米片吸附氟离子的重要贡献，并展示了其在地热热水快速除氟方面的应用潜力。