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膨润土对重金属离子的吸附作用
2018/07/09 点击 1043 次

中国粉体网讯  重金属污染废水主要来源于金属采矿、冶炼、电解、电镀等工业,重金属离子可在水生生物中富集,通过食物链危害人体健康。吸附法是处理含重金属离子废水的一种很有前途的方法,它不仅可以降低水中重金属离子浓度,还有利于回收其中贵重的重金属。膨润土是一种以蒙脱石为主要成分的黏土。蒙脱石因层间易发生不等价阳离子置换而产生永久性负电荷,并且蒙脱石具有很大的内外表面积,这些性质决定了膨润土具有较高的离子交换容量和很强的吸附能力,因此被应用于含有重金属离子的废水处理。


一、膨润土的基本性能及对重金属离子的吸附机理


膨润土的特性取决于蒙脱石特有的结构,蒙脱石晶格内的异价类质同象置换是其最基本、最重要的构造特性。蒙脱石是一种含水的层状硅酸盐矿物,由两层硅氧四面体片夹一层铝氧八面体片组成。硅氧四面体片中有一定量的Si4+被Al3+取代,铝氧八面体片中也可有1/6~1/3的Al3+被 Mg2+、Fe2+等取代。这种不等价的类质同相替换使得晶层产生永久性负电荷。晶层负电性主要通过静电引力吸附的K+、Na+、Ca2+等层间阳离子来平衡,这些层间阳离子具有可交换性。另外,蒙脱石晶体边缘破键,在pH >7时端面带负电荷,也可吸附少量阳离子。正是由于蒙脱石矿物的这些特性,使膨润土可用于处理含重金属离子的废水。


二、膨润土的改性与方法


改性


研究表明,通过膨润土的改性可提高其对重金属离子的去除能力。膨润土虽然具有较好的吸附性能,但是在含重金属离子废水处理的工业应用中,直接利用膨润土原土往往不能达到满意的效果,一般需将膨润土经过改性后再应用于废水处理。膨润土的改性处理方法主要有高温焙烧、酸改性或钠化改性、有机活化、无机柱撑等。


改性方法


高温焙烧


高温焙烧的主要目的是使膨润土失去表面水、水化水和结构骨架中的结合水以及空隙中的一些杂质,减小水膜对污染物质的吸附阻力。焙烧还使得膨润土的空隙率和表面积增加,有利于阳离子交换容量(CEC)的增加,提高膨润土的吸附性能。但焙烧温度不能超过500℃,时间以2h为宜,否则会破坏有利于吸附的构造,也增加处理成本。


酸改性


酸活化改性就是将一定细度的膨润土浸渍于酸溶液中(常采用H2SO4),水浴加热搅拌,抽滤后洗至滤液呈中性,干燥研磨即得酸改性膨润土。膨润土经酸活化改性后,孔容积得到增大,并削弱了原来层间的键力,层状晶格裂开,层间距增大,孔道被疏通,吸附性能和阳离子交换能力得到提高。


钠化改性


由于天然膨润土一般为钙基蒙脱石,而蒙脱石层间Ca2+的交换能力远远小于Na+,因此蒙脱石必须先要钠化,使其转变为钠基蒙脱石。钠化剂的选取大多是采用较常见的钠盐,如Na2CO3、NaCl、(NaPO3)6、NaOH等。


有机活化


有机活化是用有机改性剂对膨润土进行改性,主要为蒙脱石和季铵盐阳离子表面活性剂的作用。季铵盐阳离子进入蒙脱石的层间,不但使有机蒙脱石的层间距增大,而且改善了疏水性,从而增强了去除有机污染物的能力。


无机柱撑


用柱撑剂(多为聚合羟基阳离子)取代蒙脱石层间可交换性阳离子,形成无机层间插入化合物,经干燥脱水、煅烧脱羟基等处理得到柱撑蒙脱石。柱撑后的蒙脱石层间被撑开一个到几个分子的距离,因而比表面积增大,吸附性能得以提高。


三、膨润土吸附重金属离子的影响因素


温度


在100℃以下,升高温度有利于提高对重金属离子的吸附效率,当温度从20℃升高到60℃,吸附率可以提高15%~25%。温度的升高使溶液中的离子运动速度加快,促进了离子的交换反应。


重金属离子浓度及液固比


在重金属离子初始浓度增加,或在初始浓度不变而增加膨润土用量(即液固比减小)的条件下,膨润土对重金属离子的吸附总量增加,单位质量膨润土的吸附量却减小。


pH


一般认为,酸性条件不利于膨润土对重金属离子的吸附作用,近中性和偏碱性条件有利于吸附作用的进行。因此,去除重金属离子多控制pH在5~9。


吸附时间


膨润土对重金属离子的吸附速度在前15min进行得很快,随后吸附速度减慢,一般30~50min基本达到平衡,90%左右的吸附量在60min以内完成。随着时间的延长,吸附量略有提高。


粒度


随着膨润土粒度的减小,端面破键增多,阳离子交换能力略有增加。同时,粒度减小,比表面积增大,物理吸附也明显增强。总的结果是随粒度减小,吸附量增加。


(来源:中国粉体网)


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