改性膨潤(rùn)土在水處理中的應(yīng)用技術(shù)
在水處理中,吸附法是一種重要的物理化學(xué)方法。研制價(jià)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(lái),對(duì)改性膨潤(rùn)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(mén)課題之一。我國(guó)天然膨潤(rùn)土資源豐富,探明儲(chǔ)量?jī)H次于美國(guó),居世界第二位,現(xiàn)在年開(kāi)采量約200萬(wàn)ｔ。開(kāi)發(fā)膨潤(rùn)土和改性膨潤(rùn)土水處理劑具有廣泛的應(yīng)用前景。
1 膨潤(rùn)土及改性膨潤(rùn)土
1.1 膨潤(rùn)土的結(jié)構(gòu)和分類(lèi)
膨潤(rùn)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(gè)硅氧四面體層中間夾一個(gè)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(guò)程中,常會(huì)發(fā)生同晶替代作用,晶體結(jié)構(gòu)層間存在過(guò)剩負(fù)電荷,能以靜電吸附陽(yáng)離子保持電中性。此外,膨潤(rùn)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(yáng)離子的比例關(guān)系可將膨潤(rùn)土分為鈉基、鈣基、鎂基和鋁基膨潤(rùn)土。其中鈣基膨潤(rùn)土儲(chǔ)量最大,約占總儲(chǔ)量的70%～80%。
1.2 膨潤(rùn)土的改性
天然膨潤(rùn)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(yáng)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(duì)天然膨潤(rùn)土的改性受到了廣泛的重視。通過(guò)酸、氧化劑、無(wú)機(jī)鹽等無(wú)機(jī)物對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行改性,可明顯改善其對(duì)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(rùn)土包括:活化膨潤(rùn)土、有機(jī)膨潤(rùn)土、交聯(lián)膨潤(rùn)土以及有機(jī)交聯(lián)膨潤(rùn)土。 1.3 改性膨潤(rùn)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(rùn)土表面上,同時(shí)膨潤(rùn)土釋放等當(dāng)量層間可交換性陽(yáng)離子,完成吸附過(guò)程,吸附結(jié)合力為離子鍵。對(duì)有機(jī)離子吸附質(zhì),大分子比小分子更易被吸附,因?yàn)橛袡C(jī)大離子與蒙脫石作用時(shí)不僅陽(yáng)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(rùn)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(shuō)來(lái),實(shí)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(rùn)土在水處理中的應(yīng)用
2.1 處理有機(jī)廢水
改性膨潤(rùn)土吸附劑可用來(lái)處理各類(lèi)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(lèi)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(rùn)土處理苯酚廢水,發(fā)現(xiàn)ｐＨ值為10時(shí),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(rùn)土和交聯(lián)膨潤(rùn)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(rùn)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(rùn)土能通過(guò)500℃灼燒再生。孫家壽等則用有機(jī)交聯(lián)膨潤(rùn)土處理造紙廢液。當(dāng)ｐＨ值為4.5,用量為24ｇ/Ｌ時(shí),常溫處理60ｍｉｎ后,對(duì)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(lèi)表面活性劑改性膨潤(rùn)土處理含苯系物、酚類(lèi)、硝基苯類(lèi)、苯胺類(lèi)、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(rùn)土層間距和對(duì)有機(jī)物的吸附量隨改性時(shí)所用表面活性劑碳鏈的增長(zhǎng)而增大。(2)改性時(shí)表面活性劑加入量低于陽(yáng)離子交換容量(ＣＥＣ)時(shí),有機(jī)膨潤(rùn)土的層間距和對(duì)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(guò)ＣＥＣ時(shí),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(yáng)離子大小和膨潤(rùn)土的ＣＥＣ。
國(guó)外Ｓｍｉｔｈ等研究了長(zhǎng)、短兩類(lèi)季銨鹽改性的膨潤(rùn)土對(duì)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(yáng)離子、雙陽(yáng)離子改性的膨潤(rùn)土吸附有機(jī)污染物的性能。另外,美國(guó)ＥＴＶｅｒｔｕｒｅ公司利用胺類(lèi)聚合物,使膨潤(rùn)土離子表面從親水性改良成親油性,生成易溶解烴類(lèi)的粘土礦物,再結(jié)合活性炭,對(duì)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(lèi)化合物。
2.2 去除重金屬離子
重金屬離子廢水主要來(lái)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(guò)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(rùn)土具有較大的比表面積及離子交換容量,吸附性能好,對(duì)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(rùn)土對(duì)重金屬離子有一定的吸附能力,通過(guò)膨潤(rùn)土的改性可顯著提高其對(duì)重金屬離子的去除能力。金輝等對(duì)鈉基膨潤(rùn)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(rùn)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(jià)值。膨潤(rùn)土吸附絮凝法對(duì)Ｈｇ2+有著較好的吸附效果。溶液中投加0.5ｇ膨潤(rùn)土?xí)r,吸附容量為0.48ⅹ10-3,且聚氯化鋁膨潤(rùn)土在吸附Ｈｇ2+時(shí)有明顯的協(xié)同作用。競(jìng)爭(zhēng)吸附表明膨潤(rùn)土對(duì)金屬的去除效果依次為Ｐｂ、Ｈｇ、Ｃｄ。孫勝龍等利用改性膨潤(rùn)土對(duì)Ｃｒ6+進(jìn)行吸附處理,ｐＨ值為6時(shí),去除率大于95%。當(dāng)高濃度時(shí)改性膨潤(rùn)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(rùn)土對(duì)Ｃｒ6+進(jìn)行吸附處理。當(dāng)吸附時(shí)間為30ｍｉｎ,ｐＨ值為2.5～3.5,吸附劑用量為12ｇ/ＬＨ2Ｏ時(shí),吸附效率接近100%。
2.3 處理有機(jī)污泥
由于污泥對(duì)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(duì)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(jià)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?chē)挠袡C(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(shí),先通過(guò)精制、分離的方法提煉出油類(lèi),再利用2.5%膨潤(rùn)土和0.75%草酸液對(duì)油類(lèi)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(lái)改性膨潤(rùn)土對(duì)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(bào)道,經(jīng)鈉化和無(wú)機(jī)聚合物改性膨潤(rùn)土吸附劑在投加量為0.1%時(shí),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(rùn)土吸附劑在投劑量為5～6ｇ/Ｌ時(shí),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(rùn)土加0 005%的聚合氯化鋁,可使以陽(yáng)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(guò)高會(huì)引起富營(yíng)養(yǎng)化,嚴(yán)重時(shí)藻類(lèi)瘋長(zhǎng)、水體發(fā)臭、魚(yú)類(lèi)死亡,嚴(yán)重影響水體環(huán)境并給人類(lèi)帶來(lái)直接經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)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(yùn)行費(fèi)用高;后者操作比較復(fù)雜,去除效率低。近年來(lái)對(duì)改性膨潤(rùn)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(shí),對(duì)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(guó)家20世紀(jì)70年代以來(lái),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(lèi)表面活性劑改性的膨潤(rùn)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(jiǎn)單、有效、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的環(huán)境修復(fù)工具。目前,國(guó)外有的學(xué)者利用膨潤(rùn)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(yáng)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(dòng)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(yǔ)
膨潤(rùn)土在國(guó)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(kāi)始不久,而且這些研究?jī)H僅局限于實(shí)驗(yàn)室階段。目前。尚未見(jiàn)到改性膨潤(rùn)土在水處理中實(shí)際應(yīng)用的公開(kāi)報(bào)道。將來(lái),提高改性膨潤(rùn)土對(duì)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(wèn)題。另外,要開(kāi)發(fā)完善改性膨潤(rùn)土吸附法水處理工藝,解決在實(shí)際應(yīng)用中改性膨潤(rùn)土吸附性能可能受到其它污染物干擾的問(wèn)題。盡管如此,通過(guò)前人的研究,我們?nèi)匀豢梢钥闯?改性膨潤(rùn)土作為水處理材料具有以下幾點(diǎn):(1)儲(chǔ)量豐富,價(jià)格低廉;(2)制備方法簡(jiǎn)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(gè)理想選擇,必將得到廣泛的應(yīng)用。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
