膨潤(rùn)土基吸附材料之制作、表征及吸附特性研究

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1、膨潤(rùn)土基吸附材料之制作、表征及吸附特性研究1文獻(xiàn)綜述伴隨著我國(guó)城市化和工業(yè)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，水作為戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源和基礎(chǔ)性自然資源的地位日益突顯。人多水少、水資源時(shí)空分布不均是我國(guó)的基本國(guó)情和水情。水是可再生資源，但是越來(lái)越多未經(jīng)處理或未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的廢水進(jìn)入水體，使得我國(guó)水資源面臨的形勢(shì)更為嚴(yán)峻。國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者深入研究廢水處理課題，致力于發(fā)明各種新技術(shù)、開發(fā)各種新材料、探索各種新工藝，緩解水資源供需矛盾[1-3]。吸附法是廢水處理技術(shù)中最有效的物化方法之一，吸附劑可以有效地去除廢水中各種污染物，尤

2、其是其它方法難以有效處理的有毒和難降解的污染物[1,4]；同時(shí)，吸附劑再生技術(shù)研究的不斷深入[5-7]，更拓寬了吸附法在廢水處理中的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。膨潤(rùn)土基吸附材料具有表面吸附作用、層間陽(yáng)離子交換作用、孔道過濾作用及特殊納米結(jié)構(gòu)-效應(yīng)等特殊性質(zhì)[8]，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外環(huán)境污染控制與修復(fù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，主要用于廢水中重金屬、有機(jī)污染物、染料、赤潮和大氣環(huán)境中揮發(fā)性有機(jī)污染物的去除及作為土壤污染修復(fù)材料等[9]。我國(guó)膨潤(rùn)土資源豐富，地域分布廣闊，預(yù)測(cè)資源儲(chǔ)量在80億噸以上，居世界第一；已探明儲(chǔ)量

3、為24.6億噸，占世界的60%[10]。研究表明，儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉的膨潤(rùn)土有望取代活性炭和離子交換樹脂等高成本吸附材料，應(yīng)用于工業(yè)廢水中重金屬、有機(jī)污染物、氮磷及染料等的吸附處理[11]。因此，根據(jù)廢水中污染物性質(zhì)、組成和濃度特點(diǎn)，通過活化、無(wú)機(jī)柱撐、有機(jī)插層、聚合物插層或無(wú)機(jī)–有機(jī)復(fù)合改性膨潤(rùn)土，研制開發(fā)出經(jīng)濟(jì)、高效、新穎的多功能膨潤(rùn)土基吸附材料，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。1.1膨潤(rùn)土膨潤(rùn)土又叫斑脫巖或膨土巖，是國(guó)內(nèi)外開發(fā)最早、應(yīng)用最廣的非金屬礦物之一，素有萬(wàn)能粘土之稱，已在工

4、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)24個(gè)領(lǐng)域的100多個(gè)部門應(yīng)用，現(xiàn)與膨潤(rùn)土有關(guān)的產(chǎn)品多達(dá)300個(gè)以上[10]。1.1.1膨潤(rùn)土的性質(zhì)與組成膨潤(rùn)土屬于層狀鋁硅酸鹽粘土礦物，層間可膨脹、陽(yáng)離子交換容量大(CationExchangeCapacity，CEC，一般為0.8~1.2mol/kg)[12]，其主要成分是蒙脫石(Montmorillonite)。膨潤(rùn)土層間結(jié)構(gòu)可控和表面性質(zhì)可改特性，被廣泛應(yīng)用在環(huán)保[13,14]、藥用輔料[15]、催化劑及載體[16,17]、石油[18]、鑄造[19]、冶金[20]、建筑[21]、農(nóng)

5、業(yè)[22]、畜牧業(yè)[23]、日化用品[24]等領(lǐng)域。膨潤(rùn)土因產(chǎn)地不同而純度有所差異，蒙脫石含量一般在65~90%之間[25]，含少量石英、長(zhǎng)石、云母、高嶺石、綠泥石、方解石及有機(jī)物等，具有各種顏色，如白色、乳黃色、淺紅色、黑色等。天然膨潤(rùn)土主要分為鈣基膨潤(rùn)土、鈉基膨潤(rùn)土、鋰基膨潤(rùn)土和氫基膨潤(rùn)土[10,26]。我國(guó)90%以上屬鈣基土，其次為鈉基土，鋰基土和氫基土極為少見，屬于過渡類型[10]。蒙脫石的一般晶體化學(xué)式為[Ex+(Al2-xMgx)(Al,Si)4O10(OH)2•nH2O]。

6、E為層間可交換陽(yáng)離子，通常是Ca2+、Na+等，也可以是K+、Li+等陽(yáng)離子或有機(jī)分子；x為E是一價(jià)陽(yáng)離子時(shí)蒙脫石單位化學(xué)式中的層間電荷數(shù)，一般在0.2~0.6之間；n為層間水的個(gè)數(shù)，變化較大[27]。1.1.2膨潤(rùn)土的結(jié)構(gòu)特征膨潤(rùn)土為2:1型層狀硅酸鹽礦物，結(jié)構(gòu)單元層是由Si–O4四面體中間夾一個(gè)Al-O4(OH)2八面體片組成[28]。蒙脫石作為膨潤(rùn)土的主要成分，是由厚1nm、長(zhǎng)寬均為100nm的單元晶片堆疊、通過分子間力吸引而形成[26,28]。其晶層間距和顆粒大小可以通過XRD

7、掃射分析和衍射儀慢速掃描。隨著技術(shù)不斷完善，其結(jié)構(gòu)特征研究得以深入，這將有助于研究開發(fā)多功能膨潤(rùn)土，進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域[29,30]。關(guān)于膨潤(rùn)土主要成分蒙脫石的晶體結(jié)構(gòu)有兩種具有代表性的模型，即Hofmann結(jié)構(gòu)模型和Edelman結(jié)構(gòu)模型。Hofinalin模型(圖1.1)能說明蒙脫石的XRD等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，Edelman結(jié)構(gòu)模型則能更好地解釋多孔黏土材料的形成機(jī)理[31]。2新型淀粉/膨潤(rùn)土吸附材料的制備原理及形成機(jī)理膨潤(rùn)土在處理重金屬離子、有機(jī)污染物、氮、磷、臭等諸多領(lǐng)域都有應(yīng)用。傳統(tǒng)改性劑和

8、溶劑易造成二次污染，改性膨潤(rùn)土相對(duì)于價(jià)廉物豐的天然膨潤(rùn)土成本過高，這些問題對(duì)膨潤(rùn)土在廢水治理領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用與發(fā)展起著制約作用[161]。因此，選擇綠色價(jià)廉、廣泛的改性劑，降低改性膨潤(rùn)土成本和減少水處理過程中造成的二次污染，成為改性膨潤(rùn)土開發(fā)研究與推廣使用解決的重要課題之一。淀粉資源豐富、可生物降解，可通過結(jié)構(gòu)修飾使之成為性能優(yōu)異的多種變性淀粉，是膨潤(rùn)土改性的理想原料，有望取代石油產(chǎn)品所合成的難降解高聚物[162-167]。季銨型陽(yáng)離子淀粉無(wú)論在酸性、堿性還是中性條件下都呈陽(yáng)離子狀