蒙脫石在水處理中的應(yīng)用

蒙脫石在水處理中的應(yīng)用岑文華（華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院0224024411）摘要：通過了解蒙脫石的結(jié)構(gòu)以及其改性后的結(jié)構(gòu)，通過不同的實驗例子來解釋其在水處理中的重要作用。關(guān)鍵詞：蒙脫石、水處理、應(yīng)用蒙脫石礦物既是優(yōu)良的離子交換和吸附用功能礦物材料，又是廉價的環(huán)境凈化重金屬和有機物的處理原料，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景。1蒙脫石的結(jié)構(gòu)特征蒙脫石礦物是土壤中主要的活性組分之一,在土壤和水體沉積物中,蒙脫石約占40%=1\*GB2⑴。蒙脫石是典型的疊層狀鋁硅酸鹽礦物，主要存在于膨潤土、累托石等層狀或混層狀粘土礦物中，能直接或提純后使用。其單位晶胞是由兩層Si-O四面體夾一層Al-O八面體構(gòu)成，當(dāng)晶胞四面體內(nèi)Si被Al、八面體內(nèi)Al被Mg類質(zhì)同相置換時，蒙脫石晶胞帶有過剩的負(fù)電荷(每單位半晶胞負(fù)電荷約為0.2～0.6)，為了保持晶胞電荷平衡，層間吸附了等量的Na+、K+、Ca2+、Mg2+等水化離子，但這種離子間的吸附力相對較弱，層間陽離子易被作用力強、濃度大的其他陽離子置換，尤其是分子量較大的重金屬離子和體積較大的有機陽離子；同時由于蒙脫石特殊的疊層狀結(jié)構(gòu)，尤其是改性后的有機化蒙脫石，在受外力和熱作用時，層與層易發(fā)生滑移、剝離直至分散解離，剝離或解離后的礦物具有較大的比表面積，對重金屬和有機物(基團(tuán))又具有較強的吸附作用。2蒙脫石層間域交換和吸附性質(zhì)2.1無機物在層間域中的交換和吸附蒙脫石礦物具有的這種特殊離子交換性質(zhì)可用于環(huán)境水處理，其步驟為：根據(jù)需要處理的水環(huán)境，分別選用鈉基土或鈣基土等，將其分散于水中，交換反應(yīng)后將水、土分離，可用于水中重金屬離子的去除，具有成本低、適用面廣的特點。此外，對于不同型蒙脫石的選擇也有一定差別，由于鈉基土在水中易解離，分散性好，同重金屬離子的交換速度更快；而鈣基土具有使用成本低的特點。由于蒙脫石晶胞帶有的過剩負(fù)電荷，不僅發(fā)生層間離子同其他無機陽離子交換反應(yīng)，還由于加工和分散過程的片層剝離和邊沿端斷鍵，使礦物已有的層面充分暴露，并且由于邊沿斷鍵形成新的表面，使分散或改性后分散的蒙脫石礦物表面積顯著增大，蒙脫石礦物對重金屬和有機物具有較好的吸附能力。2.2有機物在層間域中的交換和吸附有機物在層間發(fā)生交換反應(yīng)的首要條件是生成有機陽離子，并且陽離子體積越大，吸附穩(wěn)定性越強。同無機物在層間域的吸附類似，有機物在層間域的吸附也受片層表面和邊沿端暴露面積影響較大；同時，還受有機物在吸附體系中的極性、分散程度、接觸面積等影響。3改性膨潤土在廢水處理中的應(yīng)用膨潤土是一種重要的非金屬礦產(chǎn)，主要由蒙脫石構(gòu)成。我國的膨潤土資源十分豐富，現(xiàn)年開采量為200萬t左右，僅次于美國，居世界第2位。3.1改性膨潤土脫磷的研究含磷廢水排入水體，會引起湖泊和海洋的富營養(yǎng)化，嚴(yán)重時，引起水體發(fā)臭，魚類死亡，嚴(yán)重影響了水體環(huán)境，對含磷廢水的凈化多采用化學(xué)法或生物法。但是，兩者均存在一定的缺點，近年來用改性膨潤土吸附處理含磷廢水已有報道。孫家壽等采用鋁交聯(lián)蒙脫石吸附脫磷，當(dāng)其質(zhì)量濃度為9.0g/l時,對磷吸附量為5.56mg/l，去除率可達(dá)100％=3\*GB2⑶。3.2含苯類有機污染物廢水的處理朱利中等用兩種不同長、短鏈的季胺鹽表面活性劑混合改性膨潤土，其交換處理機理是利用C12-18碳鏈長的有機物適量，先將蒙脫石層間距撐大，形成撐大并穩(wěn)定的有機物通道，有機物量控制為蒙脫石陽離子交換量(CEC)的30%～60%；研究了不同長短鏈配比、不同碳鏈長度對雙陽離子改性有機膨潤土性能的影響，制得一系列雙陽離子交換有機膨潤土，這種改性后的蒙脫石較純蒙脫石對有機物的吸附通道更加暢通，所交換上的單、雙、三鏈陽離子易產(chǎn)生混束對有機物產(chǎn)生協(xié)同作用，尤其對苯系物、酚類、硝基苯類、苯胺類、多環(huán)芳烴類等吸附率可達(dá)90%，而苯系物在純天然蒙脫石上幾乎無吸附=4\*GB2⑷。3.3重金屬廢水的處理重金屬指Pb、Hg、Cd、Cr和類金屬As等毒性較大的金屬，也包括具有一定毒性的一般金屬如Zn、Cu、Co、Ni、Sn等，重金屬不僅易被生物富集，而且不能被生物降解，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，直接危害人類健康。利用含蒙脫石的粘土礦物處理含重金屬廢水是一種經(jīng)濟、有效的方法。金輝等直接以鈉基土做吸附劑，試驗了土用量、pH值、時間等對Hg的吸附效果；同時，還利用聚合氯化鋁做絮凝劑，協(xié)同作用對Hg吸附、絮凝處理，Hg的去除率較高，而單用聚合氯化鋁時對Hg的吸附率較低；有機膨潤土優(yōu)于膨潤土—聚合氯化鋁吸附絮凝法，但有機膨潤土處理重金屬廢水成本較高=5\*GB2⑸。沈?qū)W優(yōu)等探討了利用膨潤土、高嶺土、伊利石等三種粘土去除廢水中的Ni、Cu、Zn、Cd的適宜條件，試驗表明，膨潤土用于電鍍廢水中重金屬離子處理的效果好于其他兩種粘土。3.4味精廢水的處理味精廢水是指味精發(fā)酵液提取谷氨酸后排放的母液，是高濃度的有機廢水，具有酸性強、高COD、高BOD、高硫酸根、高菌體含量、低溫等特點，難以直接壓縮沉降，治理難度較大。張法軍等用精選活化膨潤土制備HB絮凝劑，用其同味精廢水混合時，可對廢水進(jìn)行絮凝沉降，并且沉降后的污泥中含蛋白質(zhì)42.5%，污泥干燥后可用做飼料添加劑。該法具有工藝簡單、投資少、污泥可綜合利用的特點，是味精生產(chǎn)中高濃度有機廢水處理經(jīng)濟、實用的方法之一，工藝技術(shù)具有一定的推廣價值。3.5蒙脫石對農(nóng)藥分子的吸附在大多數(shù)情況下,蒙脫石對農(nóng)藥的吸附作用有利于農(nóng)藥分子的降解,而這種降解程度主要與可交換陽離子的性質(zhì)有關(guān)。農(nóng)藥與粘土礦物的復(fù)合作用必然或多或少地影響其生物毒性,影響的大小取決于吸附力和解吸力。不同交換性陽離子對蒙脫石所吸附的農(nóng)藥的釋放程度的影響是不同的。在粘土礦物的表面上,有很多農(nóng)藥是不能從水中吸附的。這些農(nóng)藥的分子是陰離子型或中性的,其極性不足以與水爭奪粘土礦物上的吸附點。陰離子型農(nóng)藥常呈負(fù)吸附,由于帶負(fù)電荷的粘土礦物表面的排斥作用,含有粘土礦物的溶液中有機化合物的濃度反而增加。3.6蒙脫石的降氟作用地方性氟中毒是世界上普遍存在的地方病之一,尤其在主要依賴地下水作為飲用水的農(nóng)村地區(qū)較為常見。近年來,由于現(xiàn)代工業(yè)和農(nóng)業(yè)的發(fā)展,氟和含氟化合物的應(yīng)用日益廣泛,氟進(jìn)入環(huán)境中的量也逐漸增多。已有的研究表明,鋁硅酸鹽粘土吸附氟的主要機理是氟離子與粘土礦物晶體邊緣的OH-進(jìn)行離子交換所致(Boweretal.,1967),蒙脫石等粘土礦物中可交換態(tài)Ca2+的存在也是其吸附F-的主要原因之一(Bar-Yosefetal.,1988)。在酸性條件下蒙脫石的吸氟能力較強,降氟率較高。蒙脫石的吸氟量在很大程度上受pH值的影響,吸氟量和降氟率隨著體系pH值的降低而上升,呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系=6\*GB2⑹。蒙脫石的吸氟量隨著含氟溶液濃度的升高而增加。3.7染料廢水的處理我國紡織印染工業(yè)發(fā)達(dá)，其主要含漿料、染料、油劑和助劑等。其中，染料廢水成分復(fù)雜、含量高、色度深、堿性大、水質(zhì)變化頻繁，是難處理的工業(yè)廢水之一，可用成本低的無機物插入蒙脫石礦物層間對其進(jìn)行改性，并用較難脫色的紅色染料模擬染料廢水進(jìn)行脫色試驗，研究了改性蒙脫石制備方法、脫色性能和脫色機理，其樣品制備采用在10g/L的蒙脫石料漿中緩慢加入各種無機改性劑，無機改性劑的選擇以分子量大的無機聚合物性能為佳，控制改性劑量以蒙脫石量計為5mmol/g，通過反應(yīng)、分離、洗滌、烘干、粉碎得到改性蒙脫石成品。以2g/L的添加量對濃度為40×10-6的活性大紅進(jìn)行脫色處理，1h脫色率可達(dá)99.2%。4結(jié)論蒙脫石對水體中有毒重金屬元素和有機污染物有較好的吸附能力,而這種吸附作用實際上存在著多種復(fù)雜的物理化學(xué)過程,如吸附金屬離子既有表面配合,也有表面沉淀和表面離子交換;吸附有機物則可能存在表面配合、表面接枝和插層等多種反應(yīng)。將蒙脫石層間域的吸附作用稱為界面反應(yīng)更能體現(xiàn)其物理化學(xué)本質(zhì)。因此,對蒙脫石層間域的研究,可以更好地了解這些有害物質(zhì)在環(huán)境中的遷移、沉淀和解體等,為更好地控制環(huán)境污染提供理論依據(jù)。參考文獻(xiàn)：=1\*GB2⑴吳平霄(華南理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,廣州510640)污染物與蒙脫石層間域的界面反應(yīng)及其環(huán)境意義=2\*GB2⑵、=4\*GB2⑷、=5\*GB2⑸余麗秀1，2，孫亞光2，張志湘1，2（1.中國地質(zhì)大學(xué)研究生院，北京100083；2.國家非金屬礦資源綜合利用工程技術(shù)研究中