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水處理設備專用藥劑:膨潤土(蒙脫石)及其改性水處理劑
更新時間:2021-08-07 10:17:31
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水處理設備專用藥劑:膨潤土(蒙脫石)及其改性水處理劑

    膨潤土又名膨土巖、斑脫巖,有時也稱白泥,通常為白色,也有淺灰、褐紅等其他顏色,主要是由蒙脫石類礦物組成的黏土。

    (Na,Ca)o石的晶體結構,由兩層硅氧四面體晶片中間夾一層鋁氧八面體晶片組成,其組成為(Na'ca)o33 (AI,M9)2S14010 (OH)2。nH20,屬2:1型層狀硅酸鹽礦物,在黏土礦物的形成過程中’常會發生陽離子異價類質同晶替代作用,如硅氧四面體中Si4+Al3+替代,鋁氧八面體中Al31-Mg2+N。晶體結構層間存在過剩負電荷,需吸附陽離子來保持電荷的平衡。被吸附的陽離子通常為Na+、Ca2+、K+、Mgz+、Al3+、H+、Li十、Cs+.Rb+.NH4+等。因異價類質同晶(象)替代產生的負電荷大部分分布在片狀硅鋁酸鹽的層面上,且與礦物層面上吸附的陽離子距離較遠'吸附的陽離子與晶層間常被水分子所隔,兩者結合較松弛,陽離子脫離和吸附所需能量較低,也較自由。因此,這些被吸附的陽離子可以被置換,這是蒙脫石礦物具有陽離子交換性的本質。層間陽離子的可交換性,是膨潤土的重要特性之一,此外膨潤土具有很大的比表面積,巨大的比表面積伴隨若巨大的表面張力(表面自由能),使其具有巨大的吸附能力。這些特性使膨潤土作為污水凈化材料,可與水體中的有毒有害金屬離子、無機或有機污染物以離子交換或吸附的方式結合在一起,然后將這些物質從水體中分離出去,達到水質凈化的目的。

    ①有機膨潤土。有機膨潤土是通過在膨潤土表面用有機離子(典型的為季銨離子)交換非有機離子(如Na+、H+)得到的。有機膨潤土的礦物表面是有機相,按照“相似相容”原理,有機膨潤土要比活化膨潤土對有機污染物具有更強的吸附能力。目前,常見的有機膨潤土是由鈉基膨潤土經表面活性劑類有機覆蓋劑改性而得的。在改性過程中,有機陽離子可與蒙脫石層間的無機離子交換形成以離子鍵為主的有機復合物,即有機膨潤土。根據改性時所用表面活性劑的不同,可分為單陽離子、雙陽離子、陰一陽離子、有機膨潤土等。其中,對單陽離子有機膨潤土的研究最多,經表面活性劑改性制得的該類有機膨潤土,因其碳含量增加,疏水性能得到改善,因此處理有機污染物的能力大大提高。

    ②交聯膨潤土。交聯膨潤土就是用人工加工的方法,用帶正電荷的交聯劑代替蒙脫石層間可交換的陽離子,將其2:1單元層橋聯撐開,形成一種二維通道(2:1單元層為“板”,交聯劑為“柱”)的層柱狀結構的新礦物,其層間砸、柱間距可根據需要調節。常用的交聯劑為無機金屬陽離子(如Al3+、Fe3+、N12+、Cr3+、2r3+、Ti4+等)水解產生的金屬羥基陽離子,也稱多聚羥基陽離子。這些多聚羥基陽離子一般呈平面狀,厚度約0. 50. 6nm,通過離子交換后進人蒙脫石層間,并進一步在其中水解成“交聯柱”,使蒙脫石層間距增大。交聯膨潤土的孔徑可調,分布均勻,具有較好的吸附性能,可用于水中離子、非離子型污染物的去除。    ‘

    若將有機物引入交聯膨潤土層間,可得到孔徑更大的有機交聯膨潤土,其吸附性能也將進一步改善。

    1.膨潤土的改性我國的膨潤土資源豐富,但天然產出的鈉基膨潤土量少,絕大多數天然產出的膨潤土為鈣基膨潤土。鈉基膨潤土的物化性能較鈣基膨潤土好,所以通常需將鈣基膨潤土改性為鈉基土,以提高其理化性能。

    天然膨潤土(包括鈣基土和鈉基土)雖然具有較大的比表面積和陽離子交換容量,吸附性能較好,但膨潤土表面硅氧結構極強的親水性及層間陽離子的水解,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的有機污染物,從而限制了膨潤土在環保領域的應用。目前,用于廢水處理的膨潤土都經過了一次或二次改性處理,以提高其吸附能力和陽離子交換鈍力,亦即提高其污水處理的能力。

    膨潤土的改性方法主要有兩種:一是活化法;二是添加無機或有機化合物改性劑改性。通過不同的改性方法可分別制得活化改性膨潤土、有機膨潤土和交聯膨潤土。

    (1)活化改性膨潤土?;罨驖櫷恋姆椒ㄝ^多,常見的有焙燒法、酸化法、鈉化法等。

    ①焙燒法活化膨潤土。這種方法是將膨潤土置于450℃下焙燒2h。結果表明,膨潤土的比表面積比原土增加了1倍以上,達到120. 24m2/g,焙燒還使得膨潤土的表面吸附水、層間水及空隙中的一些雜質得以去除。膨潤土的吸附能力和陽離子交換能力均有較大的提高。

    ②酸活化膨潤土。用酸活化法處理膨潤土,可去除分布于蒙脫石結構通道中的雜質,有利于吸附質分子的擴散。其次,H+的半徑小于K+、Na+、Ca2+、Mgz+等離子的半徑,用H+置換層間的K+、Na+、Ca2+、Mg2+后,使孔容積得到增大,并削弱了原來層間的鍵力,層間晶格裂開,孔道被疏通,陽離子交換能力得到提高。

    ③鈉化膨潤土。該方法是用Naz C03Na3 P04溶液對膨潤土進行活化處理。不過,添加Na2C03時,CO32-易與被交換出來的多價金屬離子(Ca2+、Mg2+等)生成碳酸鹽類的凝膠,從而使黏度進一步提高,并阻塞層間通道,使分選與進一步離子交換更加困難,因此鈉化效果較差。

    但當使用Na3 P04作為改性劑時,磷酸根P03+陰離子易與蒙脫石端面的正電性邊緣吸附形成負電性邊緣。如此,使晶片端面均為負電性,晶片間相互排斥,在水介質中變為低黏度、高分散的穩定懸浮體。黏度降低時,電性改變與雜質礦物相互排斥,從而容易得到分離,且Na+也因此更易于扦人層間實現離子交換。磷酸鹽(特別是焦磷酸鈉及多聚磷酸鈉等)不僅是一種分散劑,而且也是一種優良的螯合劑,其螯合作用是由大分子的磷酸根離子提供的。當蒙脫石層間多價金屬(M)陽離子被交換出來后,磷酸根離子立即將交換出來的M離子螯合起來,從而制止了M離子再與溶液中可能存在的其他陰離子反應。同時也制止了M離子再參與交換反應(逆反應),保證了離子交換反應不斷地向右進行,完成徹底鈉化。

    (2)有機改性。未改性蒙脫石層間是水合的Na+、Ca2+等可交換陽離子,這種親水的環境不利于親油性有機化合物的吸附。不過,可用有機陽離子去改變蒙脫石片層昀極性,降低硅酸鹽片層的表面能和撐大蒙脫石層間的距離,以增加兩性間的親和性。

    2.改性膨潤土在污水治理中的應用  到目前為止,改性膨潤土在各類廢水處理尤其是工業廢水處理中的應用均有研究,概括起來改性膨潤土可去除水體中的重金屬離子、芳香族化合物、有毒且難生物降解的有機物,還具有脫色、脫磷、除臭等作用。

    (1)去除重金屬離子。膨潤土之所以能去除水體中的重金屬離子,是基于蒙脫石層間所吸附的陽離子與水體中重金屬離子的交換作用。改性膨潤土陽離子交換容量(CEC)越大,則去除重金屬離子的能力應越強。

    (2)去除有機污染物。有機膨潤土較活化膨潤土去除有機污染物的能力更強。這是因為,其一有機膨潤土可利用季銨離子的非極性脂肪鏈端溶解(萃?。┯袡C物,二是被吸附有機物分子可使蒙脫石層間距增大,使蒙脫石層間對有機物進一步吸附。對于離子型的有機污染物,吸附作用仍以離子交換作用為主。

    (3)脫色?;罨驖櫷?、有機膨潤土均不能有效降低污水的濁度,但可以去除污水的色度??傊?,膨潤土作為污水處理劑,具有諸多優點:儲量豐富,價廉易得;活化改性方法簡單;可去除水中無機、有機污染物;具有較高的化學和生物穩定性。因此,系統深入地研究膨潤土昀改性方法、改性機理、結構、性能及其在廢水處理中的應用,將對進一步開發新型改性膨潤土及其在環境保護,特別是污水處理及環境修復中的應用具有重大意義,并為充分開發利用我國豐富的膨潤土資源,提供了較為廣闊的途徑。

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