膨潤(rùn)土多孔材料用于凈化湖泊水的研究

鄭玉琴，劉 楓

（中國非金屬礦工業(yè)有限公司，北京 100142）

1 概述

近年來，隨著全球城市化的不斷發(fā)展，水污染問題已經(jīng)成為倍受世人關(guān)注的環(huán)境問題之一。而水體中較高濃度的COD、氨氮、總磷對(duì)環(huán)境危害較大，并且氨氮會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)在水體中濃度迅速增加，如何高效、低成本去除水體環(huán)境中的COD、氨氮、總磷，一直是這方面科研工作者致力研究的方向[1-2]。研究結(jié)果表明：當(dāng)湖泊水體中的氮含量超過(0.2～0.3)×10-6，磷含量大于(0.01～0.02)×10-6就可以引起水體的惡化，促使水體富營(yíng)養(yǎng)化的加劇，因此對(duì)氨氮和磷的廢水處理，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

近年來，多種水處理技術(shù)得到應(yīng)用，主要有生物法、化學(xué)氧化法、結(jié)晶化法、三級(jí)過濾法和吸附等。因生物法對(duì)氨氮和磷的去除率低，且需結(jié)合其他工藝，應(yīng)用受到限制；化學(xué)氧化法對(duì)難降解的有機(jī)物具有選擇性，且成本高，不適合處理大面積的城鎮(zhèn)污水[4]。研究表明，吸附法是廢水處理技術(shù)中最有效的物化方法之一，因此利用吸附法去除COD、氨氮、總磷得到越來越多的關(guān)注。

膨潤(rùn)土是以蒙脫石為主的粘土巖，具有良好的吸附性能和陽離子交換能力，這種特性為其在污水處理方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。早在20世紀(jì)30年代，膨潤(rùn)土已開始用于水質(zhì)凈化和廢水處理。近年來，國內(nèi)外專家在采用膨潤(rùn)土處理廢水方面做了大量的研究，也取得了一定的進(jìn)展，主要用作絮凝劑和吸附劑。

針對(duì)現(xiàn)有膨潤(rùn)土吸附劑所存在的吸附低濃度COD、氨氮、總磷效果不佳，難以工程化實(shí)施等問題，筆者開發(fā)出一種新型膨潤(rùn)土多孔材料，并圍繞膨潤(rùn)土多孔材料進(jìn)行了一系列的科研試驗(yàn)。通過使用天然鈣基膨潤(rùn)土為主要原料，在與分散劑、無機(jī)發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑、表面活性劑以及固化劑之間相互作用下，再通過塑形、干燥制成具有一定強(qiáng)度的、輕質(zhì)膨潤(rùn)土多孔材料[5]。

2 多孔材料的制備方法

2.1 原材料

原材料取自湖北鄂州某地區(qū)的天然鈣基膨潤(rùn)土，分別對(duì)此地點(diǎn)的膨潤(rùn)土原礦進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果為(%)：SiO262.63、TiO20.54、Al2O316.31、Fe2O32.55、FeO 0.17、MnO 0.09、MgO 3.95、CaO 2.06、Na2O 0.46、K2O 0.73、LOI 10.45。其他化學(xué)藥劑均采用工業(yè)級(jí)藥品。

為明確膨潤(rùn)土的主要礦物組成，對(duì)樣品原礦進(jìn)行了X-射線衍射分析，如圖1所示。

X-射線衍射分析結(jié)果表明，樣品的主要礦物為蒙脫石和石英。此外，從蒙脫石d (001)值的大小來看，該原礦為鈣基膨潤(rùn)土，蒙脫石的特征峰d (001)值為14.7399nm。

圖1 湖北某地鈣基膨潤(rùn)土XRD衍射圖譜

2.2 制備方法

因膨潤(rùn)土本身具有較強(qiáng)的吸附性，將其制成多孔材料后，又賦予其較高的比表面積或孔體積，使其具有較高的吸附量。膨潤(rùn)土多孔材料的制備采用發(fā)泡技術(shù)，使用十二烷基硫酸鈉和碳酸鈣作為發(fā)泡劑，在其他藥劑的輔助下，制成具有狹窄的孔徑分布和一定強(qiáng)度可控微米膨潤(rùn)土多孔材料。

以湖北鈣基膨潤(rùn)土為原料，加入水制成漿液，再加入0.2%六偏磷酸鈉作為分散劑，將漿液充分?jǐn)嚢韬?，加入十二烷基硫酸鈉或碳酸鈣進(jìn)行發(fā)泡，采用機(jī)械攪拌的方式充分發(fā)泡，并將泡沫和膨潤(rùn)土充分混合，再加入羧甲基纖維素鈉作為穩(wěn)泡劑，以提高孔隙的強(qiáng)度，使之不易破裂，然后將混合好的漿料倒入模具中，在馬弗爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)的溫度為200～400℃，制得氣孔率為30%～45%、單孔孔徑為20～60μm的膨潤(rùn)土多孔材料。其制備流程見圖2。

圖2 膨潤(rùn)土多孔材料制備工藝流程

3 試驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料為上述所制膨潤(rùn)土多孔材料；水體取自湖北某湖泊水，設(shè)立三個(gè)取水點(diǎn)，定期取水；藥劑包括COD試劑、總磷指示試劑、氨氮指示試劑。

3.2 試驗(yàn)儀器

多參數(shù)水質(zhì)分析儀、恒溫消解器、移液管、燒杯、注射器、量筒、精密天平等。

3.3 膨潤(rùn)土多孔材料對(duì)湖泊水的吸附性能研究

3.3.1 吸附試驗(yàn)

在燒杯中放入一定體積的湖泊水(取自湖北某地)，取相同量的膨潤(rùn)土多孔材料，使之從水面逐漸沉入水底，靜置1h，使懸浮顆粒充分分離，最后取上清液，利用多參數(shù)水質(zhì)分析儀和恒溫消解器分別對(duì)其COD、總磷、氨氮進(jìn)行測(cè)定。

用移液管分別移取蒸餾水和被測(cè)樣品各2mL至兩支消解管中，加入兩種COD試劑各1mL、3mL。在150℃的恒溫消解管中，加熱消解15min，取出放置室溫后，用水質(zhì)分析儀測(cè)定。

用移液管分別移取蒸餾水和被測(cè)樣品各5mL至兩支消解管中，加入總磷試劑0.8mL，在120℃的恒溫消解管中，加熱消解30min，取出放置室溫后，分別加入兩種總磷指示試劑各0.2mL、0.4mL，然后用水質(zhì)分析儀測(cè)定。

先取10mL待測(cè)樣品至于比色瓶中，進(jìn)行空白試驗(yàn)，然后加入氨氮試劑0.2mL，旋緊比色瓶搖勻，再加入氨氮試劑1支，擦凈比色瓶外壁，放入比色瓶槽中鎖定比色瓶，靜置顯色10min，測(cè)定的數(shù)據(jù)即為被測(cè)樣品中氨氮的濃度。

指標(biāo)測(cè)定結(jié)果詳見表2。

表2 膨潤(rùn)土多孔材料對(duì)水體污染物的吸附效果

3.3.2 用量對(duì)吸附效果的影響

根據(jù)以往試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，先假定吸附時(shí)間為1h，厚度為3mm，分別取12、14、16、18g/L用量的膨潤(rùn)土多孔材料對(duì)上述水體進(jìn)行吸附試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 膨潤(rùn)土多孔材料不同用量對(duì)吸附效果的影響

表3結(jié)果表明，隨著膨潤(rùn)土多孔材料用量的增加，水體中的COD、總磷、氨氮的吸附量增大，相同時(shí)間的吸附效率高；另外，當(dāng)膨潤(rùn)土多孔材料的用量等于16g/L時(shí)其吸附率分別達(dá)到35%、80%、61%；當(dāng)膨潤(rùn)土多孔材料的用量大于16g/L時(shí)，其吸附率增加趨于緩慢。

3.3.3 吸附時(shí)間對(duì)吸附效果的影響

選定膨潤(rùn)土多孔材料的用量為16g/L，厚度為3mm，吸附時(shí)間分別取40、50、60、70min，對(duì)上述水體進(jìn)行吸附試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表4 膨潤(rùn)土多孔材料不同吸附時(shí)間對(duì)吸附效果的影響

表4結(jié)果表明，膨潤(rùn)土多孔材料用量和厚度一定，隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，水體中的COD、總磷、氨氮的吸附率逐漸增大；另外，當(dāng)吸附時(shí)間等于70min時(shí)，其吸附率分別達(dá)到39%、78%、61%；當(dāng)膨潤(rùn)土多孔材料的吸附時(shí)間大于60min時(shí)，其吸附率增加趨于緩慢。

3.3.4 厚度對(duì)吸附效果的影響

膨潤(rùn)土多孔材料的厚度對(duì)水體中的COD、總磷、氨氮的吸收有很大的影響。選定膨潤(rùn)土多孔材料的用量為16g/L，吸附時(shí)間為70min，分別取1、2、3、4mm厚度的膨潤(rùn)土多孔材料對(duì)上述水體進(jìn)行吸附試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

表5 膨潤(rùn)土多孔材料不同厚度對(duì)吸附效果的影響

表5結(jié)果表明，膨潤(rùn)土多孔材料的厚度對(duì)水體中COD、總磷、氨氮的吸收起了很大的作用，膨潤(rùn)土多孔材料的厚度1～3mm時(shí)的吸附率每一級(jí)呈跳躍式增長(zhǎng)，效果顯著；大于3mm后，膨潤(rùn)土多孔材料的厚度對(duì)水體的吸附率的增長(zhǎng)幅度有所降低，但依然呈緩慢增長(zhǎng)。

綜上可知，當(dāng)膨潤(rùn)土多孔材料的用量為16g/L、厚度為3mm、吸附時(shí)間為60min時(shí)，對(duì)湖泊水體中的COD、總磷、氨氮的去除率顯著，能夠從一定程度上解決水體富營(yíng)養(yǎng)化的問題。

4 結(jié)語

綜上所述，膨潤(rùn)土是一種天然的吸附劑，膨潤(rùn)土多孔材料對(duì)湖泊水體中的COD、總磷、氨氮的去除率顯著，能夠達(dá)到解決水體富營(yíng)養(yǎng)化的目的。用膨潤(rùn)土制備多孔材料，具有以下諸多優(yōu)點(diǎn)：①原料儲(chǔ)量豐富、價(jià)廉易得；②制備方法簡(jiǎn)便；③可有效去除水體中COD、總磷、氨氮；④具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和生物穩(wěn)定性且容易再生。

膨潤(rùn)土多孔材料將是取代傳統(tǒng)湖泊水處理材料的一個(gè)理想選擇，將得到廣泛應(yīng)用。我國膨潤(rùn)土資源十分豐富，因此，應(yīng)用天然鈣基膨潤(rùn)土開發(fā)湖泊水處理新材料是解決中國水污染問題的一條可行之路。

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