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    膨潤土礦物環保材料的應用
    2020-04-16

    膨潤土是以蒙脫石為主要成分的一種粘土礦物,具有良好的膨脹性、粘接性、吸附性、觸變性、懸浮性、可塑性、潤滑性、穩定性、環境友好性和陽離子交換性等性能,作為環保礦物材料在環境污染治理領域得到了廣泛關注。


    我國膨潤土資源豐富,已經探明儲量20多億噸,年開采量不足已知儲量的2%。約占世界總量的60%左右。從省份分布上看,我國膨潤土資源分布于23個省區,其中查明資源儲量超過億噸有廣西、新疆、內蒙古、江蘇、安徽等10個省區。


     


    1、膨潤土的環境功能屬性


    (1)膨脹性


    膨潤土具有較強的吸水能力,吸水后膨脹,晶層間距擴大。鈉基膨潤土吸水后膨脹倍數達到40倍以上。


    (2)吸附性


    膨潤土是一種以蒙脫石為主要成分的2:1型礦物,具有較大的表面積和孔容,因而表面能很大,對氣體、有機物、重金屬等物質具有較強的吸附性。另外,膨潤土表面帶有電荷,可以通過靜電引力吸附帶相反電荷的物質。


    (3)陽離子交換性


    蒙脫石的可交換的陽離子主要是指交換性鹽基離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+等),及部分晶體邊緣破鍵??山粨Q陽離子主要以靜電引力形式吸附于膨潤土層間,可以與其他離子、有機物進行交換。低膨脹倍的鈣基膨潤土的陽離子交換容量為50mmol/100g,而鈉基膨潤土的陽離子交換容量高達100mmol/100g左右。


    (4)懸浮性和分散性


    由于膨潤土顆粒細小,本身帶有負電荷,存在靜電斥力作用,因此膨潤土在水中可以保持良好的懸浮性。另外,晶體表面又帶有很多的金屬陽離子和羥基親水基,因而具有親水性和分散性。


    (5)穩定性


    膨潤土具有良好的熱穩定性,能耐300℃高溫(140℃逸出自由水和吸附水,300℃逸出層間水,500℃失去結晶水)。


    (6)無毒性


    膨潤土對人、畜、植物均無腐蝕、無毒害,因此可用為醫藥載體、飼料添加劑、土壤改良劑及化肥載體。


    2、膨潤土環保礦物材料


    (1)膨潤土防水毯


    膨潤土防水毯是膨潤土顆粒按照一定質量要求均勻平鋪在兩種土工織物之間,通過針刺等工藝制成含有微小空隙的一種復合型防水材料。


    在垃圾填埋場使用膨潤土防水毯一方面是阻止污染物進入地下水中,將垃圾與環境隔絕,危害人類健康;另一方面也阻止有毒氣體的揮發。因此,許多國家逐漸都采用膨潤土防水毯作為垃圾填埋場的防滲和液壓屏障材料,并且取得了效果顯著的結果。同樣的,在金屬尾礦庫也可以用膨潤土防水毯作為襯墊來減少金屬離子的滲透。


    (2)膨潤土造紙廢水處理材料


    膨潤土在處理造紙廢水時的優勢在于吸附性能和脫色能力較強,但由于膨潤土顆粒細小,懸浮勝、分散性較強,單獨使用時往往會存在絮凝物脫水性差的缺點,所以一般需要與其他助劑配合使用以降低脫水時間,縮短處理周期。


    (3)膨潤土重金屬離子吸附材料


    膨潤土對水體中重金屬離子的去除機理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,可用于含鉻、鈷、鎳、銅、鋅、鎘、汞、鉛等重金屬離子的去除。研究表明,通過對膨潤土的改性可顯著提高其對重金屬離子的去除能力,改性膨潤土陽離子交換容量(CEC)越大,去除重金屬離子的能力越強。


    李媛媛等以鈣基膨潤土為原料制備出7種改性膨潤土,研究發現巰基化膨潤土對As3+的吸附效果明顯優于原土和其他改性膨潤土的,吸附率接近99%,比原土的吸附率提高12倍以上,吸附能力的提高是由于As3+可與巰基化膨潤土中的—SH產生結合所致。巰基化膨潤土吸附As3+后的解吸率小于1%,說明巰基化膨潤土不但可以去除水體中的As3+,還能有效固定As3+使其不能解吸重新進入水體中,因此是一種理想的As3+吸附材料。


    (4)膨潤土含磷廢水處理材料


    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。鄧書平采用酸和高分子絮凝劑聚二甲基二烯丙基氯化銨和陽離子型聚季銨鹽改性膨潤土,結果表明,改性膨潤土用量為6g/L,pH=7,吸附時間為40min,溫度為20℃時,污水中磷的去除率可達98%以上。


    (5)膨潤土印染廢水處理材料


    改性膨潤土對印染廢水的處理以物理吸附為主,夏新奎等將鈣基膨潤土酸性活化后對印染廢水進行脫色處理,其一次性COD去除率達76%,色度去除率達87%。若經雙層濾料柱過濾處理,色度去除率達93%以上,COD去除率達78%。


    (6)膨潤土有機廢水處理材料


    芳烴類化合物毒性大,是難降解的有機物,對此類廢水的處理多采用有機改性膨潤土,且隨改性劑碳鏈的增長,改性膨潤土吸附能力明顯增加。


    另外,改性膨潤土不但可以作為去除有機廢水中的污染物,而且還可以作為加快去除廢水中污染工藝的催化劑。在今后的研究中不僅僅要將研究主要放在膨潤土作為吸附劑處理廢水中的污染物上,還應該將研究主要放在膨潤土作為催化劑應用于廢水處理工藝中,從而能夠更加有效地去除廢水中的有機污染物。


    (7)膨潤土氨氮廢水處理材料


    胡巧開利用煅燒膨潤土對氨氮廢水進行了吸附研究,研究結果表明,經鎂離子改性之后的膨潤土對氮有較好的吸附性能,當膨潤土中的鎂離子質量分數為2%時,經300℃煅燒2h時,在pH=6、鎂離子改性膨潤土的用量為10g/L,吸附時間是30min的條件下,對質量濃度為100mg/L的氨氮廢水的去除率可達91%。


    (8)膨潤土味精生產廢水處理材料


    味精行業生產產生的廢水不僅濃度高,而且水量大,目前國內外尚未找到一種好的解決辦法。近年來,許多學者利用改性膨潤土的分散、吸附、膠體性能回收高濃度味精廢水中的谷氨酸生成菌和其它有機物,取得了一定效果。


    (9)膨潤土含油廢水處理材料


    葉新才等人分別用碳酸鈉(Na2CO3)和嗅化十六烷基銨(CTMAB)對膨潤土進行改性,結果表明,有機改性膨潤土除油效果比鈉化改性膨潤土和提純土好,其飽和吸附容量也遠高于提純土;對于濃度221mg/L的含油廢水,有機膨潤土用量為5.0g/L,油的去除率可達97%


    (10)膨潤土農藥廢水處理材料


    胡巧開等人研究了酸化和鍛燒改性的膨潤土對樂果廢水的吸附作用。結果表明,改性方法能夠明顯改善膨潤土在水中的沉降與過濾性能,較大地提高膨潤土對樂果的吸附能力。用2mol/L的硫酸酸化,經300℃煅燒處理后所得的膨潤土對樂果的吸附量可達20.4mg/g。對濃度為60mg/L的樂果廢水,當吸附劑的用量為17g/L時,樂果的去除率可達85%。


    (11)膨潤土氟離子處理材料


    為了有效去除水體中的氟離子,并解決粉末狀膨潤土在水處理應用中存在的膨脹性大、固液相分離難、吸附性能低的問題,王雪征等采用水溶液聚合法,以膨潤土為原料、丙烯酰胺為聚合單體,合成出復合膨潤土,發現丙烯酰胺在膨潤土中發生插層聚合并與膨潤土形成均一復合物。當膨潤土質量分數為90%時,F-的去除率可達73.94%,高于純鈣基膨潤土對F-的吸附性能。同時,吸附F-后的復合膨潤土可用硫酸鋁水溶液再生多次循環使用,且再生復合膨潤土比初始復合膨潤土具有更高的除氟活性。


    (12)膨潤土放射性廢物處理材料


    膨潤土可用作核吸附劑,放射性核素在膨潤土上的吸附有效的阻止了其在廢物處置時的遷移;地下水在膨潤土中的移動非常慢,也減緩了放射性核素在膨潤土中的遷移。此外,有機土的熱穩定性可達200℃,使其在核廢物工程屏蔽中有更好的利用。


    (13)膨潤土貓砂


    顆粒膨潤土,也稱貓砂,是由鈉基膨潤土為原料,經前處理、擠壓、供干、造粒、蹄分、后處理精制而成的一種粒狀產品,具有吸水性強、用量少、吸附力強、清潔無異味、潔凈除臭、無粉塵污染、易結團、團塊牢固、易清理等優點,受到寵物飼養者的歡迎。適用于城市家庭寵物塾圈,有利于貓犬等家庭寵物的健康生長及保持家庭環境清潔衛生。


    (14)膨潤土空氣污染治理材料


    膨潤土的比表面積大,吸附性強,經簡單的處理之后,可作為吸附過濾材料用于臭氣、毒氣及有害氣體NOx、SOx、H2S等的吸附過濾。


    如日本等已有膨潤土用于空氣凈化專利產品,包括:以蒙脫石為基質制取室內空氣凈化劑,膨潤土與氫氧化鈣、含堿及堿土金屬氯酸鹽混合作凈化空氣的吸附劑,膨潤土與MgO、CaCO3混合干燥制成顆粒作為空氣氧化硫分離劑,膨潤土和鈷化物在800℃以上高溫下焙燒制成催化劑用于內燃機廢氣凈化等。


    (15)膨潤土土壤修復材料


    在土壤中摻拌膨潤土,可以刺激固氮細菌的固氮作用,促進植物生長,也能抵抗有害的鐮刀菌枯桿菌病毒,進入土壤中使各種殺蟲劑、殺菌劑、除草劑失去藥性毒性。膨潤土對鉛的吸附力比對鈣的吸附力大2-3倍,對鉻的吸附作用較強。土壤中的粘土礦物,有機質和土壤體可通過物理吸附和化學吸附作用,將有機農藥固定,使農藥的遷移能力和毒性降低。


    利用土壤中廣泛分布的天然粘土特別是膨潤土礦物治理土壤重金屬污染物,體現了利用天然礦物發揮自凈作用的特點,揭示了粘土礦物在環境演變和治理過程中的重要作用。


    (16)膨潤土催化劑載體


    由于層柱黏土的特殊結構,使膨潤土在具有氧化還原作用的催化過程中能夠容納轉換的金屬離子,并可改變其氧化態而作為催化劑的載體。因此,可用于制備鐵交聯膨潤土、插層膨潤土負載摻鐵TiO2光催化劑、TiO2/膨潤土等廢水催化材料。


    高劍等人制成鐵鈦雙金屬共柱撐膨潤土,將其作為催化劑處理苯酚廢水。改性后膨潤土活性穩定,比表面積為原來的5倍,且使芬頓反應發生的pH范圍擴大了,在中性條件下苯酚的降解率可達95%。鐵的溶出率也十分低,小于2mg/L,有效的解決了芬頓反應中鐵離子流失問題。


    由上述可見,膨潤土由于資源十分豐富,價格低廉,易獲得,改性或活化方法相對簡單,具有較高的物理、化學和生物穩定性,比較容易再生等特點,是治理水污染、重金屬污染等理想的環境礦物材料。另外,將天然膨潤土直接應用于環境污染治理有一定的局限性,如吸附效果差,體系離子強度影響大等。因此,需要根據不同的需求,利用其結構特征,對膨潤土進行改性處理。通過對膨潤土面性質以及層間結構的修飾,可以大大提高膨潤土對污染物的吸附性和選擇性,更好的應用于環境領域。


    參考資料:


    [1] 郭爭爭,管俊芳,陳菲,等.膨潤土防水毯應用進展[J].硅酸鹽通報,2018,37(11):3449-3453.


    [2] 陳文娟,王光輝,艾林芳.膨潤土改性及其在水處理中的應用[J].日用化學工業,2012,42(3):220-224.


    [3] 鞠建英,向俐云.膨潤土在污染場地土壤修復和地下水污染防治中的應用[J].中國非金屬礦工業導刊,2014(6):4-6.


    [4] 張巍.膨潤土在水污染治理中吸附無機污染物的應用進展[J].工業水處理,2018,38(11):10-16.


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