膨潤土是一種以蒙脫石為主要成分的粘土礦物。由于它具有一系列獨特的性能，目前已得到廣泛的應用與研究。例如，膨潤土可用于建筑地基、水庫、池塘、廢水處置坑等的不透水襯層，保護地下水等不受污染，或減少水庫、池塘中水的損耗，也可用作飲用水、果汁、啤酒、植物油及污水的吸附過濾材料。近年來，我國在廣西、遼寧、新疆、江蘇、浙江等地發現和探明大量的膨潤土礦產，總儲量居世界前列〔4〕。但與發達國家相比，我國膨潤土資源利用水平低，使用范圍窄、產品開發的多樣化和系列化程度不夠，所以對這種廉價礦土資源的開發應用研究具有很重要的意義。

1實驗部分

1.1材料與儀器

實驗所用天然膨潤土采自遼寧撫順。

 JSM—6300掃描電鏡，日本電子公司(JEOL)制造;Sigma X射線能譜儀(EDS)，美國KEVEX公司制造;DTA—1700型差熱分析儀，美國Perkin—Elmer公司制造;JB—1型比表面測定儀，中科院上海冶金研究所研制。

1.2實驗方法

天然膨潤土的改性實驗步驟見表1。

 靜態吸附實驗：稱取一定量改性后的膨潤土置于250 mL具塞錐形瓶中，注入50 mL待處理染化廢水，混合均勻后測定并調節pH值，在HY—4/KS型調速多用振蕩器中以180 r/min振蕩吸附一定時間，靜置，取上清液測有關水質指標。

表2焙燒前后膨潤土的比表面積對比數據m2/g

 從圖1膨潤土的DTA曲線熱分析圖可見，膨潤土除163.5 ℃是脫除層間吸附水的吸熱峰外，幾乎沒有其它的吸熱和放熱峰。一般認為膨潤土在163.5～360 ℃范圍內主要是緩慢地脫除表面羥基，結構不發生變化。

圖1　膨潤土DTA曲線

 高溫焙燒前后膨潤土的掃描電鏡圖見圖2。在掃描電鏡下可觀察到膨潤土原土和450 ℃焙燒土均呈現出卷邊結構的板狀體，這些板狀體構成許多小孔隙，它們為膨潤土吸附水體中污染物提供了有利的通道和空隙，450 ℃焙燒土的孔結構比原土更顯得疏松多孔，而600 ℃焙燒土卷邊結構消失，電鏡圖中只能觀察到團狀顆粒結構。

 1-天然膨潤土;2-450 ℃焙燒土;3-600 ℃焙燒土;4-酸改性土;5-鈉鹽改性土;6-鎂鹽改性土。圖2　天然膨潤土和改性膨潤土的掃描電鏡照片

 通過以上實驗，可對膨潤土的高溫焙燒改性機理作以下推斷：在不同溫度下焙燒天然膨潤土，可以先后失去表面水、水化水和結構骨架中的結合水，減小水膜對有機物污染物質的吸附阻力，使膨潤土的吸附性能發生變化，超過500 ℃時，將逐漸失去水化水和結構骨架中的結合水，OH-結構骨架破裂，層間的陽離子縮合到結構骨架上，完全喪失了離子交換的性能，其獨特的卷邊片狀物也剝落，有利吸附的構造遭到破壞，但DTA曲線并不能反映出這點。而450 ℃時焙燒膨潤土既驅除了結構通道中的表面水，又不致破壞結構骨架和卷邊構造，提高了吸附性能。

2.2酸溶液活化膨潤土

 以下通過選擇合適的酸改性劑，及對酸改性溫度、時間、濃度等因素與處理效果的關系的討論，結合比表面測定、掃描電鏡圖、化學成分測定等，分析了酸改性膨潤土的機理。結果表明，經酸改性的膨潤土的吸附性能比原土均有提高，采用鹽酸改性的吸附劑不如用硫酸改性效果好;在一定溫度范圍內，酸改性溫度對吸附劑處理廢水效果影響不大;在一定范圍內，隨著酸濃度的增大，處理后的膨潤土對廢水COD和色度去除率增強，當酸度達0.5 mol/L后吸附能力隨酸度增大基本無變化。經0.5 mol/L H2SO4在60 ℃下處理3 h后的膨潤土對廢水COD去除率為40%～45%，脫色率可達94%。

 測定不同酸濃度改性膨潤土的比表面數據見表3。由比表面積測定數據可見，經酸改性膨潤土的比表面積比原土有所增大，并隨著酸濃度的增加而增大。從以上吸附實驗說明，膨潤土對染化廢水中有機污染物的吸附作用并不僅僅是表面吸附，還有可能同時存在離子交換吸附和化學吸附。

 經酸改性的膨潤土掃描電鏡圖見圖2。經酸處理的膨潤土與原土相比，孔道和孔隙結構有所改善，原土較為致密的片狀板層堆積結構變得疏松，孔道擴大，有利于污染物分子的進入并進行有效的吸附。

 通過電子能譜儀元素組分測定，我們可以看出，經酸處理過的膨潤土與原土相比，Mg、Al、K、Fe、Ca的含量均有所減少。這很可能是因為酸中的H+取代了膨潤土層間K+、Na+、Ca2+、Mg2+或Fe2+等陽離子所致。

 對酸溶液改性膨潤土機理可進行以下的分析：酸活化處理可除去分布于膨潤土通道中的雜質，如混雜的有機物，孔道得到疏通，有利吸附質分子的擴散。再者，H原子半徑小于Na、Mg、K、Ca等原子的半徑，因此，體積較小的H+置換膨潤土層間的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等離子，孔容積得到增大，并削弱了原來層間的鍵力，層狀晶格裂開，孔道被疏通，吸附性能得到提高。

2.3鹽溶液活化膨潤土

 通過鈉鹽和鎂鹽改性膨潤土的實驗，我們發現，經NaCl溶液或MgCl2溶液改性的膨潤土的吸附性能比原土均有提高，經NaCl溶液改性后的膨潤土，COD去除率分別由改性前的26%提高到53%，經MgCl2溶液改性后的膨潤土可提高到59%，可見MgCl2溶液處理效果比NaCl溶液稍好;在一定NaCl溶液或MgCl2溶液濃度范圍內，濃度的增大并不能明顯提高COD去除率，但脫色效果略好，鹽的濃度越大，其活化效果不一定越好。根據改性實驗結果，NaCl溶液或MgCl2溶液的改性濃度可選2 mol/L。

 從NaCl溶液和MgCl2溶液改性后的膨潤土掃描電鏡圖可知。NaCl溶液和MgCl2溶液處理后的膨潤土仍呈現板塊狀結構，但卷邊減少，可能是層間發生剝離。

 通過電子能譜儀的主要元素成分測定可看出，MgCl2溶液改性過的膨潤土與原土相比，改性吸附劑Mg含量增加。說明Mg2+有可能進入改性吸附劑的晶體層間結構中，并取代了層間的Ca+、K+等陽離子。

 鹽溶液對膨潤土的改性機理可作如下解釋：可能是因為經鈉、鎂鹽活化改性，Na+、Mg2+離子就充當了平衡硅氧四面體上負電荷的作用，這些低電價大半徑的離子和結構單元層之間作用力較弱從而使層間陽離子有可交換性。同時由于在層間溶劑的作用下可以剝離，分離成更薄的單晶片，又使膨潤土具有較大的內表面積，這種帶電性和巨大的比表面積使其具有很強的吸附性。

 從以上對膨潤土的改性研究可看出高溫焙燒、酸或鹽處理對改性效果的影響，其中，高溫焙燒改性后的吸附劑對染化廢水COD和色度的去除效果比其它改性方法好，但比表面積測定數據顯示，酸改性后的膨潤土有較大的比表面積，這說明，吸附劑對染化廢水的凈化作用不僅僅是表面吸附。DTA曲線和掃描電鏡圖說明，在450 ℃時，既可驅除膨潤土結構通道中的表面水，又不致破壞結構骨架和卷邊構造，使吸附性能得到優化。

 將改性膨潤土用于某種染化廢水處理，以檢驗其在不同廢水pH值、吸附劑的投加量及吸附時間下的吸附性能。通過對以上諸因素進行實驗研究，得出改性膨潤土凈化染化廢水的最佳靜態吸附條件：改性膨潤土處理的染化廢水pH值為6，投加量為0.1%，吸附時間約55 min，此時，染化廢水COD去除率及脫色率分別為74%和95%。

3結束語

 上述實驗結果表明，天然膨潤土經高溫焙燒、酸或鹽改性處理后，其對廢水COD的去除率及脫色率均有提高，450℃焙燒土效果最佳。與原土相比，改性膨潤土比表面積增大，孔隙結構疏松，吸附性能得到改善。經驗證，改性膨潤土對染化廢水有良好的吸附凈化效果。

  使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”

相關文章