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        改性膨潤(rùn)土處理污染物的研究

        2021-10-12 01:19:40何海杰趙儉斌邱戰(zhàn)洪
        中國(guó)資源綜合利用 2021年9期
        關(guān)鍵詞:膨潤(rùn)土陽(yáng)離子層間

        柴 寬,何海杰,趙儉斌,邱戰(zhàn)洪,洪 杰

        (1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110168;2.臺(tái)州學(xué)院濱海環(huán)境與巖土工程研究所,浙江 臺(tái)州 318000)

        目前,我國(guó)工業(yè)廢料的年產(chǎn)量有30多億t,另外還有5 000萬(wàn)t危險(xiǎn)廢物和40多億t生活垃圾,其中包括有機(jī)污染物、無(wú)機(jī)污染物等持久性污染物[1],大多數(shù)由人工合成,自然狀態(tài)下難以降解,因此對(duì)土體和地下水的危害巨大。與此同時(shí),我國(guó)主要采用填埋方式處理生活垃圾,其處理量占生活垃圾處理總量的70%以上。所以,如何處理垃圾填埋場(chǎng)周圍的土體污染和水環(huán)境污染就成為重中之重。與其他污染物處理方式相比,吸附法是處理成本較低、應(yīng)用最廣泛的方法之一[2]。

        1 膨潤(rùn)土

        膨潤(rùn)土常被稱為蒙脫石黏土礦,其主要化學(xué)成分有二氧化硅、三氧化鋁等,晶體以正四面體結(jié)構(gòu)為主,其由一層八面體的氧化鋁(Al3+)和兩層四面體的二氧化硅(Si4+)構(gòu)成,表面帶負(fù)電荷。國(guó)內(nèi)膨潤(rùn)土呈現(xiàn)礦分布廣、埋藏淺、易采掘和品種齊全的特點(diǎn),如表1所示。

        表1 國(guó)內(nèi)膨潤(rùn)土分布情況

        天然膨潤(rùn)土以白色為主,此外,根據(jù)其層中離子、礦產(chǎn)地環(huán)境條件的不同,還會(huì)有淺灰色、乳黃色等。其結(jié)構(gòu)類型主要有粉砂、細(xì)沙、角礫凝灰、變余火山碎屑等[3]。由于結(jié)構(gòu)因素,天然膨潤(rùn)土內(nèi)表面積比較大,內(nèi)表面帶來(lái)巨大的內(nèi)表面能,使其具有較好的吸附能力。雖然膨潤(rùn)土吸附性能較好,但是在未改性的條件下,天然膨潤(rùn)土處于水中時(shí),層間離子會(huì)出現(xiàn)水解反應(yīng),降低其吸附能力,也就限制了膨潤(rùn)土在污染處理中的應(yīng)用,因此,有必要研究改性膨潤(rùn)土。

        2 膨潤(rùn)土改性種類

        膨潤(rùn)土改性種類較多,常見(jiàn)改性劑形式多樣,如表2所示。

        表2 膨潤(rùn)土改性種類和常見(jiàn)改性劑

        2.1 物理改性

        2.1.1 高溫改性

        天然膨潤(rùn)土表面的水膜對(duì)污染物吸附有阻礙作用,經(jīng)過(guò)高溫焙燒后,膨潤(rùn)土內(nèi)部以各種形式存在的水分都會(huì)蒸發(fā),而且?guī)ё卟糠蛛s質(zhì),這樣使得膨潤(rùn)土空間結(jié)構(gòu)得到擴(kuò)展,內(nèi)部孔隙被打開(kāi),為吸附污染物創(chuàng)造了空間[4]。但是,當(dāng)焙燒溫度過(guò)高時(shí),高溫會(huì)對(duì)膨潤(rùn)土結(jié)構(gòu)造成破壞,使其空隙率降低,吸附性能下降。

        2.1.2 超聲改性

        短時(shí)間超聲會(huì)使膨潤(rùn)土結(jié)構(gòu)疏松,層間距變大,有害的重金屬離子更易進(jìn)入;長(zhǎng)時(shí)間超聲會(huì)使膨潤(rùn)土晶體片層表面的Si-O-Si鍵發(fā)生變化,增加金屬離子與膨潤(rùn)土表面鋁氧位的接觸機(jī)會(huì),使膨潤(rùn)土對(duì)金屬離子的專性吸附有所增強(qiáng)[5]。

        2.2 化學(xué)改性

        2.2.1 金屬改性和磁性改性

        常見(jiàn)的金屬改性物為Fe和La,其中鑭改性膨潤(rùn)土(LMB)是一種廣泛應(yīng)用于磷處理的吸附劑。隨著技術(shù)的發(fā)展,金屬離子不再單純作為金屬改性劑發(fā)揮作用,而是以磁性劑的功能嵌入膨潤(rùn)土中。

        2.2.2 酸改性

        膨潤(rùn)土層間離子原本為Na+、Ca2+、Mg2+、Al3+等,酸改性就是通過(guò)酸浸泡膨潤(rùn)土,析出層間陽(yáng)離子,疏通膨潤(rùn)土間的孔道,使吸附質(zhì)更易在內(nèi)部擴(kuò)散。同時(shí),H+進(jìn)入膨潤(rùn)土層間,代替原有離子,減弱膨潤(rùn)土層間作用力,增加了陽(yáng)離子交換能力(CEC)和吸附能力。

        2.2.3 有機(jī)改性

        天然膨潤(rùn)土因?yàn)閷娱g離子存在的原因,表現(xiàn)為親水性,不利于吸附有機(jī)污染物。有機(jī)改性就是利用有機(jī)物中的官能團(tuán)或是有機(jī)物來(lái)替代膨潤(rùn)土層的陽(yáng)離子,這樣不僅讓所得到的改性膨潤(rùn)土轉(zhuǎn)變?yōu)橛H油疏水性,更增大了層間距,加強(qiáng)了容污能力、離子交換能力。根據(jù)相似相容原則,其對(duì)有機(jī)污染物的表面吸附能力得到提升。

        2.2.4 無(wú)機(jī)改性

        無(wú)機(jī)改性[4]是指利用膨潤(rùn)土的層間正離子可交換的特性,根據(jù)無(wú)機(jī)物材料的水解反應(yīng),令其中的金屬離子進(jìn)入膨潤(rùn)土層間來(lái)?yè)Q置出可互換的正離子,從而制取無(wú)機(jī)改性膨潤(rùn)土。膨潤(rùn)土經(jīng)無(wú)機(jī)改性后,層間距顯著擴(kuò)大,比表面增大,吸附效果顯著提高。

        2.2.5 無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合改性

        無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合改性[4]是指利用膨潤(rùn)土的層空隙較大及正離子可交換的特性,先利用無(wú)機(jī)高聚物將其層間域展開(kāi),再利用活化劑更改膨潤(rùn)土的表層特性。

        3 改性膨潤(rùn)土對(duì)污染物的吸附研究

        3.1 重金屬污染物

        王磊等[5]以不同濃度的鹽酸、硝酸、磷酸和硫酸對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行改性處理,研究改性膨潤(rùn)土對(duì)Cd-Zn-Pb-Cu四元復(fù)合體的吸附效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著酸濃度的增加,其對(duì)Pb離子、Cu離子的吸附能力均出現(xiàn)不同程度的降低。沈勝?gòu)?qiáng)[6]通過(guò)聚陰離子纖維素、黃原膠改性膨潤(rùn)土對(duì)重金屬污染物進(jìn)行吸附研究,發(fā)現(xiàn)其對(duì)Pb離子的吸附效果較好。

        3.2 有機(jī)污染物

        BERRAAOUAN等[7]利用鈉基膨潤(rùn)土吸附香芹醛,通過(guò)不同的吸附質(zhì)濃度和不同的固液比得到吸附結(jié)果,最大單位吸附量為110 mg/g。ANTONELLI等[8]利用熱改性膨潤(rùn)土(CVL)對(duì)環(huán)丙沙星的吸附性能進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)在25 ℃的情況下最大單位吸附量可以達(dá)到114.4 mg/g。苑麗質(zhì)[9]分別對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行了堿改性、鹽改性、表面活性劑改性,發(fā)現(xiàn)三種不同的改性膨潤(rùn)土對(duì)甲基藍(lán)的去除率分別為73.25%、81.62%、85.06%。王飛宇等[10]采用陽(yáng)離子淀粉-膨潤(rùn)土體系吸附處理羅丹明,發(fā)現(xiàn)陽(yáng)離子淀粉-膨潤(rùn)土體系對(duì)于簡(jiǎn)單污染物的處理效果明顯。

        3.3 無(wú)機(jī)污染物

        YU等[11]研究發(fā)現(xiàn),先用纖維棉處理混合水樣,再用殼聚糖改性膨潤(rùn)土處理混合水樣,吸附絮凝性能最佳。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,氮、磷作為重要的化肥原料,對(duì)于糧食生產(chǎn)具有重要的作用,但是近年來(lái)土壤中氮、磷的流失對(duì)水資源造成污染。天然土壤對(duì)二者的截留率不高,而經(jīng)過(guò)鑭改性的膨潤(rùn)土(LMB)對(duì)其截留率達(dá)到93.9%。因此,鑭改性膨潤(rùn)土既可以保證氮、磷在土壤中的留存量,又可以治理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染,具有很好的應(yīng)用前景。

        4 結(jié)論

        近年來(lái),膨潤(rùn)土處理污染物的研究發(fā)展較快,改性方法不斷革新,既有高溫改性、超聲改性等物理改性,又有磁性改性、有機(jī)改性、無(wú)機(jī)改性等化學(xué)改性。污染物處理方面,可吸附的污染物種類逐漸增多,如重金屬污染物、有機(jī)污染物、無(wú)機(jī)污染物。目前,國(guó)內(nèi)外膨潤(rùn)土改性技術(shù)的探索大多數(shù)還處在試驗(yàn)研究階段,缺少大規(guī)模應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。因此,未來(lái)要重點(diǎn)研究改性膨潤(rùn)土在污染物處理中的大規(guī)模應(yīng)用,并找到經(jīng)濟(jì)效益同技術(shù)應(yīng)用的平衡點(diǎn)。

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