改性膨潤土在含磷廢水處理中的應(yīng)用

李琛

（陜西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723001）

改性膨潤土在含磷廢水處理中的應(yīng)用

李琛

（陜西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723001）

分別介紹了膨潤土的無機(jī)改性、有機(jī)改性和交聯(lián)改性的改性方法及機(jī)理，并綜述了3類改性膨潤土對(duì)含磷廢水處理的應(yīng)用情況。

改性膨潤土；含磷廢水

膨潤土又名膨土巖，是我國儲(chǔ)量豐富、價(jià)格便宜的含水硅鋁酸鹽粘土礦物資源，其特征組分是蒙脫石，具有很大的內(nèi)表面和外表面，在廢水處理過程中常用作吸附劑和絮凝劑。污廢水中的磷是我國水體富營養(yǎng)化的一個(gè)重要污染物，減少磷排放、加強(qiáng)含磷廢水的綜合治理是減少我國內(nèi)陸河、湖泊等水體富營養(yǎng)化，保障飲用水水源安全的一個(gè)重要途徑。含磷廢水的處理常用工藝有：化學(xué)絮凝沉淀法、離子交換法、結(jié)晶法、電滲析法、生物法和吸附法?；瘜W(xué)絮凝沉淀法和生物法對(duì)低濃度含磷廢水處理效果不理想，離子交換法、結(jié)晶法和電滲析法經(jīng)濟(jì)性差，因此對(duì)中、低濃度含磷廢水常用吸附法處理，而具有高吸附量、高選擇性、吸附速度快、抗干擾能力強(qiáng)、無二次污染、吸附劑易再生、性能穩(wěn)定且廉價(jià)的改性膨潤土成為吸附除磷工藝普遍采用的吸附劑，膨潤土的改性及其應(yīng)用逐步成為廢水除磷抑藻的研究熱點(diǎn)［1～3］。

天然膨潤土直接處理廢水中的磷時(shí)幾乎沒有任何處理效果，并且天然膨潤土在水中易發(fā)生膨脹、分散懸浮，因此在使用膨潤土處理污廢水時(shí)常常要對(duì)膨潤土進(jìn)行改性［4］。常用的改性方法有無機(jī)改性、有機(jī)改性和交聯(lián)改性等。本文就改性膨潤土處理含磷廢水在我國的應(yīng)用情況進(jìn)行綜述，并對(duì)該技術(shù)在廢水除磷工藝中的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

1 膨潤土無機(jī)改性

1.1 膨潤土無機(jī)改性方法及其機(jī)理

膨潤土的無機(jī)改性又稱膨潤土的活化，常用活化方法有高溫煅燒活化、酸活化、鹽活化等。高溫煅燒活化要求煅燒溫度不能超過500℃，是利用高溫脫除膨潤土中的表面水、結(jié)合水和水化水，并且去除膨潤土結(jié)構(gòu)空隙里的雜質(zhì)，通過減少水膜對(duì)水中污染物的吸附阻力來提高膨潤土的吸附性能。酸化活化則是利用鹽酸、硫酸、磷酸等強(qiáng)酸在100℃以下加熱攪拌，抽濾干燥后獲得酸化活化膨潤土，酸活化是利用強(qiáng)酸溶出蒙脫石層間鈣鎂離子，降低層間鍵能，減少層間雜質(zhì)，疏通層間通道而提高膨潤土吸附性能。鹽活化一般采用鈉鹽、鎂鹽等電價(jià)低、半徑大的金屬鹽，利用金屬離子平衡硅氧四面體上的負(fù)電荷，同時(shí)由于這些金屬離子電價(jià)低、半徑大，它們與結(jié)構(gòu)單元層之間作用較弱，使層間陽離子可交換性增強(qiáng)，進(jìn)而提高膨潤土的吸附性能［5～6］。

1.2 無機(jī)改性膨潤土處理含磷廢水的應(yīng)用

胡巧開［7］利用 Al3＋和鈉基膨潤土制得含 Al3＋約1%的改性膨潤土，并用于對(duì)黃磷生產(chǎn)廢水進(jìn)行深度處理，在改性膨潤土用量為 5 g·L-1，pH＝9，在攪拌速度為300 r·min-1條件下攪拌吸附40 min時(shí)，對(duì)含磷濃度13 mg·L-1的低濃度含磷廢水的吸附量可達(dá) 23.4 mg·g-1，對(duì)含磷濃度低于 11 mg·L-1的廢水磷去除率可達(dá)95.5%以上，出水低于我國廢水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。馬林轉(zhuǎn)等人［8］則利用稀土元素La和鋁聚羥基離子改性鈣基膨潤土得到La／Al復(fù)合柱撐粘土，該材料能夠有效去除廢水中的磷酸根離子，試驗(yàn)確定了最佳吸附條件：溫度 28℃、pH 值為 3～5，攪拌速度 170 r·min-1。對(duì)含磷為6.54 mg·L-1的廢水，實(shí)驗(yàn)條件下吸附劑用量為2.5g·L-1時(shí)可使磷的去除率達(dá)到99%以上，pH值是影響實(shí)驗(yàn)效果的關(guān)鍵因素，pH不宜超過5。聶錦旭等人［9］通過微波輻射法制備了羥基鋁改性膨潤土吸附劑，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著鋁土比的增加，改性膨潤土對(duì)水中磷的去除率增大。鋁土比為6 mmol·g-1、微波功率為480 W、輻射時(shí)間8 min時(shí)改性的膨潤土對(duì)磷的去除效果良好。常溫條件下此改性膨潤土對(duì)含磷濃度為50 mg·L-1的模擬廢水最佳處理?xiàng)l件為：pH＝7，改性膨潤土投加質(zhì)量濃度為6 mg·L-1，反應(yīng)時(shí)間為15 min。此時(shí)含磷廢水的磷去除率達(dá)到97.3%。該課題組成員還利用微波輻照（微波功率為480 W、輻照時(shí)間8 min）直接改性膨潤土和FeSO4溶液與膨潤土混合后微波輻照（微波功率為480 W、輻照時(shí)間8 min）改性的方法制備了兩種改性膨潤土［10］，并利用所制改性膨潤土處理含磷廢水，研究發(fā)現(xiàn)FeSO4溶液與膨潤土混合后微波輻照改性膨潤土對(duì)含磷廢水的處理效果明顯好于直接微波輻照所制備的改性膨潤土。此改性膨潤土處理含磷廢水的最佳實(shí)驗(yàn)條件是：改性膨潤土的投加量為5.0 g，溶液pH值為 6，接觸時(shí)間 15 min時(shí)，對(duì)濃度 50 mg·L-1含磷廢水的去除率為98%。呂曉麗等人［11］利用2 mol·L-1硫酸酸化獲得改性膨潤土，并用于低濃度含磷廢水的處理，發(fā)現(xiàn)酸化改性后膨潤土對(duì)磷的吸附性能有較大提高，酸化改性的最佳改性條件為固液比（g∶mL）為 20∶100，對(duì)磷濃度為30 μg·mL-1模擬廢水處理時(shí)，改性膨潤土的投加量為 0.5 g·（100mL）-1，吸附時(shí)間為 4h，吸附率為60%左右。

盧少勇等人［12］對(duì)比研究了鑭改性膨潤土、鈉基膨潤土和鈣基膨潤土對(duì)劣Ⅴ類河水中磷的去除效果，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鑭改性膨潤土處理效果最好，可同時(shí)有效去除河水中的磷、氮、含碳有機(jī)物。實(shí)驗(yàn)所用劣Ⅴ類河水使用鑭改性膨潤土處理7 d即可達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)磷的去除率隨時(shí)間增加而增加，平均去除率為77.41%，最高去除率在第14 d出現(xiàn)，為91.56%。普紅平等人［13］首先將膨潤土在濃度為15%的稀硫酸進(jìn)行酸化后浸泡入濃度為0.4%的含La3＋溶液中，然后利用功率為340W的微波照射5 min制得微波輻射稀土改性無機(jī)膨潤土，并用于處理含磷濃度為50 mg·L-1的廢水，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在溶液的pH值為3～6、接觸時(shí)間為45 min時(shí)，磷去除率為99.97%，吸附量大于41 mg·g-1。吳英燕等人［14］也進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)。司

靜等人［15］則深入探討了pH值和光照對(duì)鑭改性膨潤土吸附模擬河水中氮、磷吸附效果的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)模擬河水脫氮效果明顯的pH范圍是4～8，除磷效果明顯的pH范圍是4～6；低光強(qiáng)條件下膨潤土對(duì)氮和磷的吸附效果較好；而當(dāng)光照強(qiáng)度過大時(shí)，不利于吸附氮、磷。錢文敏等［16］通過浸漬法制備鑭和鑭鈦改性膨潤土，并對(duì)磷濃度為0.5 mg·L-1的含磷廢水進(jìn)行處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鑭改性膨潤土和鑭鈦改性膨潤土能夠有效提高膨潤土對(duì)磷的吸附效果，利用鑭改性膨潤土處理該含磷廢水的最佳pH為3～6，振蕩時(shí)間為45 min，此時(shí)鑭改性膨潤土的平衡吸附量為37.74 mg·g-1；在相同條件下鑭鈦改性膨潤土的平衡吸附量為42.77 mg·g-1。

2 膨潤土有機(jī)改性

2.1 膨潤土有機(jī)改性方法及其機(jī)理

膨潤土的有機(jī)改性是用有機(jī)陽離子或有機(jī)化合物代替水化陽離子進(jìn)入膨潤土層間，并與膨潤土結(jié)合而形成的一種疏水親油的膨潤土-有機(jī)復(fù)合物。根據(jù)改性所用表面活性劑的不同，可將有機(jī)膨潤土分為單陽離子、雙陽離子、兩性、非離子及其他類型有機(jī)膨潤土。常用的有機(jī)改性劑是季銨鹽表面活性劑。季銨鹽陽離子與蒙脫石層間可交換陽離子（主要是鈉離子）發(fā)生離子交換反應(yīng)，使有機(jī)基團(tuán)覆蓋于蒙脫石礦物表面，其表面性能由親水疏油變?yōu)槭杷H油。與原土相比，有機(jī)膨潤土層間距明顯增大，性能也有較大的改善。

2.2 有機(jī)改性膨潤土處理含磷廢水的應(yīng)用

吳英燕等人將鑭改性膨潤土放入濃度為5%的表面活性劑十六烷基三甲基溴化氨（CTMAB）-乙醇（10%）溶液浸泡后利用功率為166W的微波進(jìn)行照射6min制得微波輻射稀土改性有機(jī)膨潤土，在 pH＝3～4，振蕩吸附 45 min，磷的去除率即可達(dá)到99%以上。聶錦旭等人［17］也利用3mmol·g-1的CTMAB在微波輻照強(qiáng)度為96 W·g-1的微波輻射條件輻照8 min下，對(duì)浙江臨安膨潤土進(jìn)行改性，制得有機(jī)改性膨潤土，并用于含磷模擬廢水的處理，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在改性膨潤土用量為12 mg·L-1，反應(yīng)時(shí)間為15 min，溶液pH為7及常溫條件下，改性膨潤土對(duì)濃度為50 mg·L-1的含磷廢水去除率達(dá)到97.3%，吸附符合Freundlich吸附等溫方程。并研究了改性劑用量、微波輻射強(qiáng)度、微波輻射時(shí)間對(duì)除磷效果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有機(jī)改性劑投加量＜3 mmol·g-1時(shí)隨用量增加而增加，投加量3～6 mmol·g-1時(shí)隨用量增加而減少，在 3 mmol·g-1時(shí)膨潤土的離子交換已達(dá)到平衡，此時(shí)對(duì)磷的去除率最大，達(dá)到97.3%。當(dāng)在機(jī)改性劑投加量＞3 mmol·g-1時(shí)，有機(jī)改性劑聚集在膨潤土表面，阻止磷的吸附。微波輻照強(qiáng)度＜96 W·g-1時(shí)，增加輻射強(qiáng)度提高了傳質(zhì)速度，有利于對(duì)磷的吸收，此時(shí)對(duì)磷的去除率隨輻射強(qiáng)度增加而增加，微波輻照強(qiáng)度＞96 W·g-1時(shí)，有機(jī)膨潤土內(nèi)部體系溫度過高，離子交換化學(xué)平衡破壞，離子交換量下降，對(duì)磷的去除率隨輻射強(qiáng)度增加而減小。輻射時(shí)間在1～8 min時(shí)，隨著輻射時(shí)間的延長改性膨潤土對(duì)磷的去除率逐漸增大。當(dāng)輻射時(shí)間超過10 min后，膨潤土已干，體系溫度繼續(xù)升高破壞了離子交換的化學(xué)平衡，降低了磷的去除率。Ma等［18］用聚合鐵陽離子和溴化十六烷基三甲胺改性膨潤土制得無機(jī)-有機(jī)改性膨潤土，處理磷濃度為10 mg·L-1的有機(jī)廢水。在 pH＜8.5，25℃時(shí)，改性膨潤土用量為1 g·L-1，吸附30 min即可去除廢水中99%以上的磷。朱利中等［19］利用表面活性劑氯代十六烷基吡啶或十六烷基三甲基溴化銨浸泡150 μm的膨潤土，在一定的配比和溫度下水浴攪拌1～2 h，并在所得懸浮液中依次加入AlCl3溶液和NaOH或Na2CO3溶液，將產(chǎn)物洗滌，過濾，烘干，研磨而得改性膨潤土，該膨潤土能有效吸附廢水中的磷酸根，去除率可達(dá)96.5%。

3 膨潤土的交聯(lián)改性

3.1 膨潤土交聯(lián)機(jī)改性方法及其機(jī)理

膨潤土的交聯(lián)改性是指在膨潤土層間插入一些分子、離子而形成插層化合物，經(jīng)加熱脫氫或羥基化在層間形成柱狀的金屬化合物群，從而產(chǎn)生分子大小的層間距。常用的交聯(lián)劑有無機(jī)、有機(jī)和復(fù)合物。交聯(lián)改性方法有無機(jī)陽離子交聯(lián)改性和有機(jī)陽離子交聯(lián)改性。膨潤土交聯(lián)改性主要是利用交聯(lián)劑中的陽離子代替蒙脫石層間可交換陽離子，在蒙脫石層間以2∶1單元層為“板”，交聯(lián)劑為“柱”，將蒙脫石的 2∶1單元層橋聯(lián)撐開，進(jìn)而形成一個(gè)二維通道的層柱狀結(jié)構(gòu)的新礦物，增加膨潤土的吸附性能。

3.2 交聯(lián)改性膨潤土處理含磷廢水的應(yīng)用

徐景華等人［20］制備了羥基鋁柱撐膨潤土（OH-Al-PILC）、羥基鐵柱撐膨潤土（OH-Fe-PILC）和羥基鋁鐵柱撐膨潤土 （OH-Al-Fe-PILC），利用XRD分析，對(duì)比發(fā)現(xiàn)所制得的3種交聯(lián)膨潤土的層間距均高于原土的層間距，其中OH-Al-PILC層間距最大。利用3種羥基金屬柱撐膨潤土對(duì)10 mg·L-1的磷酸二氫鈉溶液進(jìn)行吸附，當(dāng)在25 mL溶液中加入0.2 g吸附劑時(shí)，pH值對(duì)OH-Al-PILC的吸附性能影響最大，最佳pH＝6，而pH值對(duì)OH-Fe-PILC和OH-Al-Fe-PILC的吸附性能影響不大，其中OH-Al-Fe-PILC在pH＝4～9均有良好的吸附性能。同時(shí)3種吸附劑對(duì)磷的吸附速度很快，吸附過程一般在10 min左右。另外吸附劑的除磷效率隨水中磷濃度的增加而下降，磷濃度對(duì)OH-Al-Fe-PILC的吸附能力影響相對(duì)較小。在OH-Al-Fe-PILC、OH-Fe-PILC、OH-Al-PILC 三種吸附劑用量為 0.2 g·（25mL）-1時(shí)，對(duì) 10 mg·L-1的含磷廢水中的磷的去除率分別為97.8%，95.7%和93.4%。對(duì)50 mg·L-1的含磷廢水中的磷的去除率分別為92%，87.3%和65.5%。周樹禮等人［21］利用十六烷基三甲基溴化氫活化鑭改性膨潤土，得到一種高性能交聯(lián)膨潤土，并用于含磷廢水的處理，對(duì)含磷廢水中磷的去除率可達(dá)99%以上。劉德汞等人［22］制備了鎳硅交聯(lián)膨潤土和酸化鎳硅交聯(lián)膨潤土，并用于模擬含磷、酚廢水的處理，在pH＝8～9，吸附劑用量為 8 g·L-1時(shí)吸附 15～20 min，鎳硅交聯(lián)膨潤土和酸化鎳硅交聯(lián)膨潤土對(duì)模擬廢水中磷的去除率分別為98%和87%。商丹紅等人［23］制備了鋁交聯(lián)劑改性膨潤土，并用于處理低濃度含磷模擬廢水，實(shí)驗(yàn)證明鋁交聯(lián)改性膨潤土的吸附性能得到很大提高，對(duì)2 mg·L-1模擬含磷廢水處理的最佳實(shí)驗(yàn)條件為：改性膨潤土投加量為 10g·（L 廢水）-1、攪拌時(shí)間為 30 min、pH＝7。王趁義等人［24］以聚合Al13為柱撐劑，根據(jù)羥基聚合Al13的原位水解聚合內(nèi)源插層成柱原理，在微波輔助條件下制備了原位柱撐改性膨潤土（PMCs），實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PMCs能夠有效控制內(nèi)源P的遷移和釋放，水樣的pH值、P的初始濃度、攪拌時(shí)間及攪拌速度對(duì)PMCs的除磷效果具有影響作用，試驗(yàn)確定了PMCs對(duì)pH＝6～8， 含磷濃度為10 mg·L-1的廢水的最佳除磷條件為：PMCs投加量為3g·L-1，攪拌速度為180 r·min-1，攪拌時(shí)間為5 h。

4 結(jié)語

膨潤土具有儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉、易改性的特點(diǎn)，必將成為廢水除磷抑藻的首選處理劑。深入研究膨潤土的改性及其在水處理中的應(yīng)用具有極大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。但是，由目前國內(nèi)的研究狀況可見，該方面的研究大多尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，在實(shí)際應(yīng)用中相對(duì)較少，廢水中其它成分對(duì)改性膨潤土吸附效果的影響研究還較少。因此需要深入研究具有適應(yīng)性強(qiáng)、吸附效果好的新型改性膨潤土必將成為該方向的研究熱點(diǎn)，探討各類特征水體對(duì)改性膨潤土吸附性能的影響機(jī)理也會(huì)逐步引起人們的重視。

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Application of Modified Bentonite in Phosphorus-containing Wastewater Treatment

LI Chen
（School of Chemistry and Environmental Science，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723001，China）

The modified methods，modification mechanism of organic modification， and inorganic modification and cross linking modification was introduced.The application of three types of modified bentonite in phosphorus-containing wastewater treatment was summarized.

modified bentonite；phosphorus-containing wastewater

X703.5 X705

A

1671-9905（2011）03-0046-04

李琛（1980-），男，漢族，河南周口人，碩士，講師，主要從事環(huán)境污染綜合治理及環(huán)境修復(fù)方面的工作

2010-11-05