在水處理中,吸附法是一種重要的物理化學(xué)方法朝陽旭日重工。朝陽膨潤土技術(shù)研制價格低廉、選擇性好、易再生的水處理吸附劑是環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展的急切需要。近年來,對改性膨潤土水處理吸附劑的研究已成為廢水處理研究領(lǐng)域的熱門課題之一。我國天然膨潤土資源豐富,探明儲量僅次于美國,居世界第二位,現(xiàn)在年開采量約200萬ｔ。開發(fā)膨潤土和改性膨潤土水處理劑具有廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：膨潤土 應(yīng)用 吸附法
在水處理中,吸附法是一種重要的物理化學(xué)方法。研制價格低廉、選擇性好、易再生的水處理吸附劑是環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展的急切需要。近年來,對改性膨潤土水處理吸附劑的研究已成為廢水處理研究領(lǐng)域的熱門課題之一。我國天然膨潤土資源豐富,探明儲量僅次于美國,居世界第二位,現(xiàn)在年開采量約200萬ｔ。開發(fā)膨潤土和改性膨潤土水處理劑具有廣泛的應(yīng)用前景。
1 膨潤土及改性膨潤土
1.1 膨潤土的結(jié)構(gòu)和分類
膨潤土是一種以蒙脫石為主要礦物的粘土巖,而蒙脫石是含水的層狀鋁硅酸鹽礦物,由兩個硅氧四面體層中間夾一個鋁(鎂)氧(氫氧)八面體層組成,屬于2:1型的三層粘土礦物,其組成為(Ｎａ,Ｃａ)0 33(Ａｌ,Ｍｇ)2Ｓｉ4Ｏ10(ＯＨ)2·ｎＨ2Ｏ,在粘土礦物形成過程中,常會發(fā)生同晶替代作用,晶體結(jié)構(gòu)層間存在過剩負(fù)電荷,能以靜電吸附陽離子保持電中性。此外,膨潤土具有很大的表面積,巨大的表面積伴隨著巨大的表面能,使其具有巨大的吸附能力。依據(jù)蒙脫石層間陽離子的比例關(guān)系可將膨潤土分為鈉基、鈣基、鎂基和鋁基膨潤土。其中鈣基膨潤土儲量最大,約占總儲量的70%～80%。
1.2 膨潤土的改性
天然膨潤土中由于表面硅氧結(jié)構(gòu)具有極強(qiáng)的親水性和層間大量可交換性陽離子的水解,使其表面通常存在一層薄的水膜,而不能有效地吸附疏水性有機(jī)污染物,限制了在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用。因此,對天然膨潤土的改性受到了廣泛的重視。通過酸、氧化劑、無機(jī)鹽等無機(jī)物對膨潤土進(jìn)行改性,可明顯改善其對有機(jī)污染物的吸附性和離子交換性能。目前,在水處理領(lǐng)域應(yīng)用較多的改性膨潤土包括:活化膨潤土、有機(jī)膨潤土、交聯(lián)膨潤土以及有機(jī)交聯(lián)膨潤土。
1.3 改性膨潤土的吸附機(jī)理
1.3.1 交換吸附
吸附質(zhì)離子由于靜電引力作用聚集到膨潤土表面上,同時膨潤土釋放等當(dāng)量層間可交換性陽離子,完成吸附過程,吸附結(jié)合力為離子鍵。對有機(jī)離子吸附質(zhì),大分子比小分子更易被吸附,因為有機(jī)大離子與蒙脫石作用時不僅陽離子交換起作用,范德華力也起相當(dāng)大作用,離子越大,范德華力越大,被吸附也越多。
1.3.2 物理吸附
由于廢水中的吸附質(zhì)與膨潤土吸附劑間的分子引力作用,廢水中待處理污染物被吸附。物理吸附在低溫下就能進(jìn)行,但由于吸附質(zhì)與吸附劑作用力主要是范德華力,所以吸附選擇性不強(qiáng)。一般說來,實際的廢水吸附處理中往往是兩種吸附機(jī)理綜合作用,只有在特定廢水處理中可能某種是主要的。
2 改性膨潤土在水處理中的應(yīng)用
2.1 處理有機(jī)廢水
改性膨潤土吸附劑可用來處理各類有機(jī)廢水,可吸附非極性有機(jī)物、極性有機(jī)物以及各類有毒和難生物降解有機(jī)物。吳平宵等用有機(jī)交聯(lián)膨潤土處理苯酚廢水,發(fā)現(xiàn)ｐＨ值為10時,室溫下以120ｒ/ｍｉｎ的速度振蕩30ｍｉｎ后,水中苯酚的去除率可高達(dá)95%以上,比相應(yīng)的有機(jī)膨潤土和交聯(lián)膨潤土的吸附去除率有明顯提高。吳平宵等還研究了有機(jī)交聯(lián)膨潤土的循環(huán)再吸附,其研究表明吸附了苯酚的有機(jī)交聯(lián)膨潤土能通過500℃灼燒再生。孫家壽等則用有機(jī)交聯(lián)膨潤土處理造紙廢液。當(dāng)ｐＨ值為4.5,用量為24ｇ/Ｌ時,常溫處理60ｍｉｎ后,對ＣＯＤ的吸附效率達(dá)61.5%,吸附容量為549.3ｍｇＣＯＤ/ｇ。朱利中等用季銨鹽類表面活性劑改性膨潤土處理含苯系物、酚類、硝基苯類、苯胺類、多環(huán)芳烴等非離子性有機(jī)物的模擬廢水,認(rèn)為:(1)有機(jī)膨潤土層間距和對有機(jī)物的吸附量隨改性時所用表面活性劑碳鏈的增長而增大。(2)改性時表面活性劑加入量低于陽離子交換容量(ＣＥＣ)時,有機(jī)膨潤土的層間距和對有機(jī)污染物的吸附量隨加入量的增加而增加;當(dāng)加入量超過ＣＥＣ時,層間距、吸附量一般將不再增加。(3)吸附作用主要取決于有機(jī)陽離子大小和膨潤土的ＣＥＣ。
國外Ｓｍｉｔｈ等研究了長、短兩類季銨鹽改性的膨潤土對水中有機(jī)物的吸附分配性質(zhì),前者為線性的,后者是非線性的;Ｓｍｉｔｈ等還研究了單陽離子、雙陽離子改性的膨潤土吸附有機(jī)污染物的性能。另外,美國ＥＴＶｅｒｔｕｒｅ公司利用胺類聚合物,使膨潤土離子表面從親水性改良成親油性,生成易溶解烴類的粘土礦物,再結(jié)合活性炭,對Ｔｅｎｓｌｅｅｐ油層的產(chǎn)出水進(jìn)行處理,能迅速而有效地脫除水中的烴類化合物。
2.2 去除重金屬離子
重金屬離子廢水主要來源于金屬礦山、冶煉、電解、電鍍等工業(yè)。重金屬離子可在水生生物中富集,通過食物鏈危害人體健康。吸附法是處理含重金屬離子廢水的一種很有前途的方法。它不僅可以降低水中重金屬離子濃度,還有利于回收其中貴重的重金屬。膨潤土具有較大的比表面積及離子交換容量,吸附性能好,對廢水中重金屬離子的吸附有著特殊功效。有關(guān)研究表明:膨潤土對重金屬離子有一定的吸附能力,通過膨潤土的改性可顯著提高其對重金屬離子的去除能力。金輝等對鈉基膨潤土吸附廢水中Ｈｇ2+的可能性和吸附效果進(jìn)行了探討。結(jié)果表明:利用鈉基膨潤土作為吸附劑,用吸附混凝法處理含汞廢水有較高的應(yīng)用價值。膨潤土吸附絮凝法對Ｈｇ2+有著較好的吸附效果。溶液中投加0.5ｇ膨潤土?xí)r,吸附容量為0.48ⅹ10-3,且聚氯化鋁膨潤土在吸附Ｈｇ2+時有明顯的協(xié)同作用。競爭吸附表明膨潤土對金屬的去除效果依次為Ｐｂ、Ｈｇ、Ｃｄ。孫勝龍等利用改性膨潤土對Ｃｒ6+進(jìn)行吸附處理,ｐＨ值為6時,去除率大于95%。當(dāng)高濃度時改性膨潤土優(yōu)于活性碳。吸附機(jī)理分為表面絡(luò)合吸附和層間離子交換吸附,且后者占主導(dǎo)地位。孫家壽等則用鋁鋯交聯(lián)膨潤土對Ｃｒ6+進(jìn)行吸附處理。當(dāng)吸附時間為30ｍｉｎ,ｐＨ值為2.5～3.5,吸附劑用量為12ｇ/ＬＨ2Ｏ時,吸附效率接近100%。
2.3 處理有機(jī)污泥
由于污泥對有機(jī)污染物的吸附能力強(qiáng),采用生物降解或傳統(tǒng)的方法難以達(dá)到治理效果。若加入對有機(jī)污染物吸附能力更強(qiáng)的有機(jī)粘土礦物,使污染物重新分配,則有可能去除污泥中有機(jī)污染物。有關(guān)學(xué)者基于這一思路,用一價陰離子表面活性劑改性Ｆｅ2Ｏ3,將其用于含菲的污泥,菲從污泥中轉(zhuǎn)移到Ｆｅ2Ｏ3周圍的有機(jī)相中,再用磁鐵將其分離,污泥中菲的去除率可達(dá)98%～99%。另外,Ｉｒｆａｎ等在處理含油污泥時,先通過精制、分離的方法提煉出油類,再利用2.5%膨潤土和0.75%草酸液對油類進(jìn)行脫色,使其成為可利用的油品。
2.4 脫色
印染廢水是一種較難處理的工業(yè)廢水,近年來改性膨潤土對印染廢水的脫色處理取得了一定進(jìn)展,吸附機(jī)理主要是物理吸附。陳天虎等報道,經(jīng)鈉化和無機(jī)聚合物改性膨潤土吸附劑在投加量為0.1%時,處理紅色印染廢水脫色率達(dá)88%以上,處理藍(lán)色廢水脫色率達(dá)98%。冀靜平等用鈉化和羥基鐵改性的膨潤土吸附劑在投劑量為5～6ｇ/Ｌ時,處理酸性大紅ＣＯＤ去除率達(dá)45%,活性鮮紅ＣＯＤ去除率為71%,酸性黑ＣＯＤ去除率達(dá)60%。杭瑚等的研究表明,使用0.01%膨潤土加0 005%的聚合氯化鋁,可使以陽離子為主的印染廢水脫色率達(dá)94%～100%。
2.5 除磷
水體中磷含量過高會引起富營養(yǎng)化,嚴(yán)重時藻類瘋長、水體發(fā)臭、魚類死亡,嚴(yán)重影響水體環(huán)境并給人類帶來直接經(jīng)濟(jì)損失。對含磷廢水的凈化多采用化學(xué)法或生物法。前者雖然去除效率高,操作穩(wěn)定,但產(chǎn)生污泥多,運行費用高;后者操作比較復(fù)雜,去除效率低。近年來對改性膨潤土吸附劑的研究為廢水脫磷提供了一條新途徑。孫家壽等人采用鋁交聯(lián)蒙脫石吸附脫磷,當(dāng)吸附劑用量為9ｇ/ＬＨ2Ｏ時,對磷吸附劑量為5 56ｍｇ/ｇ,去除率可達(dá)100%。
2.6 地下水修復(fù)
歐美國家20世紀(jì)70年代以來,在地下水污染治理技術(shù)上取得了很大的進(jìn)展。采用季銨鹽類表面活性劑改性的膨潤土和土壤比天然粘土礦物和土壤去除有機(jī)污染物的能力高出幾十至幾百倍,能有效遏制有機(jī)污染物在環(huán)境中的遷移,是一種簡單、有效、經(jīng)濟(jì)、實用的環(huán)境修復(fù)工具。目前,國外有的學(xué)者利用膨潤土等粘土礦物易于形成有機(jī)粘土的性質(zhì),模擬含有機(jī)污染物的土壤和蓄水層的環(huán)境,在其中加入季銨鹽陽離子表面活性劑,使其形成有機(jī)污染物的吸附區(qū),可以有效地截住流動的有機(jī)污染物,將有機(jī)污染物固定在吸附區(qū),從而控制污染物在地下水中的遷移。再利用自然界中存在的微生物或化學(xué)方法降解或除去富集在吸附區(qū)的有機(jī)污染物,徹底消除地下水的有機(jī)污染。
3 結(jié)語
膨潤土在國內(nèi)外已經(jīng)研究多年,取得了一定的成果,但在水處理中的研究才開始不久,而且這些研究僅僅局限于實驗室階段。目前。尚未見到改性膨潤土在水處理中實際應(yīng)用的公開報道。將來,提高改性膨潤土對特定污染物吸附的選擇性,找到合適的再生方法是下一步研究要解決的問題。另外,要開發(fā)完善改性膨潤土吸附法水處理工藝,解決在實際應(yīng)用中改性膨潤土吸附性能可能受到其它污染物干擾的問題。盡管如此,通過前人的研究,我們?nèi)匀豢梢钥闯?改性膨潤土作為水處理材料具有以下幾點:(1)儲量豐富,價格低廉;(2)制備方法簡單;(3)具有較高的化學(xué)和生物穩(wěn)定性;(4)容易再生。因此,它作為取代傳統(tǒng)水處理材料的一個理想選擇,必將得到廣泛的應(yīng)用。
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