蒙脱石在水处理中的应用

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蒙脱石在水处理中的应用

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5 ~' W5 a% ^7 D9 {岑文华 （华南师范大学 化学与环境学院 0224024411）

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摘要：通过了解蒙脱石的结构以及其改性后的结构，通过不同的实验例子来解释其在水处理中的重要作用。

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  t9 I# t( ]/ f9 Q5 Z6 Y关键词：蒙脱石、水处理、应用

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蒙脱石矿物既是优良的离子交换和吸附用功能矿物材料，又是廉价的环境净化重金属和有机物的处理原料，具有广泛的应用领域和发展前景。


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1 蒙脱石的结构特征


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3 L0 _* H& M" Q+ y: F9 i' p; O蒙脱石矿物是土壤中主要的活性组分之一,在土壤和水体沉积物中,蒙脱石约占40 %⑴ 。蒙脱石是典型的叠层状铝硅酸盐矿物，主要存在于膨润土、累托石等层状或混层状粘土矿物中，能直接或提纯后使用。其单位晶胞是由两层Si-O四面体夹一层Al-O八面体构成，当晶胞四面体内Si被Al、八面体内Al被Mg类质同相置换时，蒙脱石晶胞带有过剩的负电荷(每单位半晶胞负电荷约为0.2～0.6)，为了保持晶胞电荷平衡，层间吸附了等量的Na+、K+、Ca2+、Mg2+等水化离子，但这种离子间的吸附力相对较弱，层间阳离子易被作用力强、浓度大的其他阳离子置换，尤其是分子量较大的重金属离子和体积较大的有机阳离子；同时由于蒙脱石特殊的叠层状结构，尤其是改性后的有机化蒙脱石，在受外力和热作用时，层与层易发生滑移、剥离直至分散解离，剥离或解离后的矿物具有较大的比表面积，对重金属和有机物(基团) 又具有较强的吸附作用。
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- K! D; I. P% m- q" g2 蒙脱石层间域交换和吸附性质
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2.1 无机物在层间域中的交换和吸附
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0 g! b% j# R! \6 Q4 ?+ H3 ?. f  ^蒙脱石矿物具有的这种特殊离子交换性质可用于环境水处理，其步骤为：根据需要处理的水环境，分别选用钠基土或钙基土等，将其分散于水中，交换反应后将水、土分离，可用于水中重金属离子的去除，具有成本低、适用面广的特点。此外，对于不同型蒙脱石的选择也有一定差别，由于钠基土在水中易解离，分散性好，同重金属离子的交换速度更快；而钙基土具有使用成本低的特点。由于蒙脱石晶胞带有的过剩负电荷，不仅发生层间离子同其他无机阳离子交换反应，还由于加工和分散过程的片层剥离和边沿端断键，使矿物已有的层面充分暴露，并且由于边沿断键形成新的表面，使分散或改性后分散的蒙脱石矿物表面积显著增大，蒙脱石矿物对重金属和有机物具有较好的吸附能力。
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2.2 有机物在层间域中的交换和吸附



1 Y: n0 i: j1 D/ K. R& l! r! M有机物在层间发生交换反应的首要条件是生成有机阳离子，并且阳离子体积越大，吸附稳定性越强。同无机物在层间域的吸附类似，有机物在层间域的吸附也受片层表面和边沿端暴露面积影响较大；同时，还受有机物在吸附体系中的极性、分散程度、接触面积等影响。
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3 改性膨润土在废水处理中的应用

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膨润土是一种重要的非金属矿产，主要由蒙脱石构成。我国的膨润土资源十分丰富，现年开采量为200万t左右，仅次于美国，居世界第2位。

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3.1改性膨润土脱磷的研究



含磷废水排入水体，会引起湖泊和海洋的富营养化，严重时，引起水体发臭，鱼类死亡，严重影响了水体环境，对含磷废水的净化多采用化学法或生物法。但是，两者均存在一定的缺点，近年来用改性膨润土吸附处理含磷废水已有报道。孙家寿等采用铝交联蒙脱石吸附脱磷，当其质量浓度为9.0g/l时,对磷吸附量为5.56mg/l，去除率可达100％⑶。
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0 z+ x$ P  s% z8 z3.2 含苯类有机污染物废水的处理

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6 B( E3 y8 T( Y5 T$ `2 q$ S1 T朱利中等用两种不同长、短链的季胺盐表面活性剂混合改性膨润土，其交换处理机理是利用C12-18碳链长的有机物适量，先将蒙脱石层间距撑大，形成撑大并稳定的有机物通道，有机物量控制为蒙脱石阳离子交换量(CEC )的30%～60%；研究了不同长短链配比、不同碳链长度对双阳离子改性有机膨润土性能的影响，制得一系列双阳离子交换有机膨润土，这种改性后的蒙脱石较纯蒙脱石对有机物的吸附通道更加畅通，所交换上的单、双、三链阳离子易产生混束对有机物产生协同作用，尤其对苯系物、酚类、硝基苯类、苯胺类、多环芳烃类等吸附率可达90%，而苯系物在纯天然蒙脱石上几乎无吸附⑷。


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3.3重金属废水的处理
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+ g2 Q6 q4 }3 h3 q% w重金属指Pb、Hg、Cd、Cr和类金属As等毒性较大的金属，也包括具有一定毒性的一般金属如Zn 、Cu、Co、Ni、Sn等，重金属不仅易被生物富集，而且不能被生物降解，对环境造成严重污染，直接危害人类健康。利用含蒙脱石的粘土矿物处理含重金属废水是一种经济、有效的方法。
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金辉等直接以钠基土做吸附剂，试验了土用量、pH值、时间等对H g 的吸附效果；同时，还利用聚合氯化铝做絮凝剂，协同作用对Hg 吸附、絮凝处理，Hg 的去除率较高，而单用聚合氯化铝时对Hg的吸附率较低；有机膨润土优于膨润土—聚合氯化铝吸附絮凝法，但有机膨润土处理重金属废水成本较高⑸。沈学优等探讨了利用膨润土、高岭土、伊利石等三种粘土去除废水中的Ni、Cu、Zn、Cd的适宜条


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件，试验表明，膨润土用于电镀废水中重金属离子处理的效果好于其他两种粘土。



3.4味精废水的处理

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味精废水是指味精发酵液提取谷氨酸后排放的母液，是高浓度的有机废水，具有酸性强、高COD、高BOD、高硫酸根、高菌体含量、低温等特点，难以直接压缩沉降，治理难度较大。张法军等用精选活化膨润土制备H B 絮凝剂，用其同味精废水混合时，可对废水进行絮凝沉降，并且沉降后的污泥中含蛋白质42.5%，污泥干燥后可用做饲料添加剂。该法具有工艺简单、投资少、污泥可综合利用的特点，是味精生产中高浓度有机废水处理经济、实用的方法之一，工艺技术具有一定的推广价值。
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3.5　蒙脱石对农药分子的吸附


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" ~& g) V3 z7 O5 Q) O+ Z6 v+ v% P在大多数情况下,蒙脱石对农药的吸附作用有利于农药分子的降解,而这种降解程度主要与可交换阳离子的性质有关。农药与粘土矿物的复合作用必然或多或少地影响其生物毒性,影响的大小取决于吸附力和解吸力。不同交换性阳离子对蒙脱石所吸附的农药的释放程度的影响是不同的。在粘土矿物的表面上,有很多农药是不能从水中吸附的。这些农药的分子是阴离子型或中性的,其极性不足以与水争夺粘土矿物上的吸附点。阴离子型农药常呈负吸附,由于带负电荷的粘土矿物表面的排斥作用,含有粘土矿物的溶液中有机化合物的浓度反而增加。
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  P* q  K% U. z1 a# u5 X& W2 w3.6蒙脱石的降氟作用
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3 ?7 N+ H8 s2 L, y2 K( {! Q) r# N地方性氟中毒是世界上普遍存在的地方病之一,尤其在主要依赖地下水作为饮用水的农村地区较为常见。近年来,由于现代工业和农业的发展,氟和含氟化合物的应用日益广泛,氟进入环境中的量也逐渐增多。已有的研究表明,铝硅酸盐粘土吸附氟的主要机理是氟离子与粘土矿物晶体边缘的OH- 进行离子交换所致( Bower et al . ,1967) ,蒙脱石等粘土矿物中可交换态Ca2+的存在也是其吸附F - 的主要原因之一(Bar- Yosef et al . ,1988) 。在酸性条件下蒙脱石的吸氟能力较强,降氟率较高。蒙脱石的吸氟量在很大程度上受pH 值的影响,吸氟量和降氟率随着体系pH 值的降低而上升,呈明显的负相关关系⑹。蒙脱石的吸氟量随着含氟溶液浓度的升高而增加。

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7 G, M. G$ k& C4 r  h1 F) e/ k' L3.7 染料废水的处理



我国纺织印染工业发达，其主要含浆料、染料、油剂和助剂等。其中，染料废水成分复杂、含量高、色度深、碱性大、水质变化频繁，是难处理的工业废水之一，可用成本低的无机物插入蒙脱石矿物层间对其进行改性，并用较难脱色的红色染料模拟染料废水进行脱色试验，研究了改性蒙脱石制备方法、脱色性能和脱色机理，其样品制备采用在10g/L的蒙脱石料浆中缓慢加入各种无机改性剂，无机改性剂的选择以分子量大的无机聚合物性能为佳，控制改性剂量以蒙脱石量计为5mmol/g，通过反应、分离、洗涤、烘干、粉碎得到改性蒙脱石成品。以2g/L的添加量对浓度为40×10-6的活性大红进行脱色处理，1h脱色率可达99.2%。
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4 结论

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  E2 ~! }% R. q% F, h蒙脱石对水体中有毒重金属元素和有机污染物有较好的吸附能力,而这种吸附作用实际上存在着多种复杂的物理化学过程,如吸附金属离子既有表面配合,也有表面沉淀和表面离子交换;吸附有机物则可能存在表面配合、表面接枝和插层等多种反应。将蒙脱石层间域的吸附作用称为界面反应更能体现其物理化学本质。因此,对蒙脱石层间域的研究,可以更好地了解这些有害物质在环境中的迁移、沉淀和解体等,为更好地控制环境污染提供理论依据。
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参考文献：
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⑴ 吴平霄(华南理工大学环境科学与工程系,广州510640)
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8 z& M' U& J  N6 K* L污染物与蒙脱石层间域的界面反应及其环境意义

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⑵、⑷、⑸ 余丽秀1，2，孙亚光2，张志湘1，2 （1.中国地质大学研究生院，北京 100083；2.国家非金属矿资源综合利用工程技术研究中心，郑州 450006） 蒙脱石离子交换和吸附效应及在水处理中的应用
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⑶ 刘玉真，岳钦艳，高宝玉 （山东大学环境科学与工程学院，山东济南 250100）

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⑹ 王洪涛,季峻峰,刘连文 (南京大学地球科学系表生地球化学研究所,成矿作用国家重点实验室,江苏南京　210093)  蒙脱石降氟作用的实验研究