膨润土基吸附材料之制作、表征及吸附特性研究

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1、膨润土基吸附材料之制作、表征及吸附特性研究1文献综述伴随着我国城市化和工业化进程的快速推进，水作为战略性经济资源和基础性自然资源的地位日益突显。人多水少、水资源时空分布不均是我国的基本国情和水情。水是可再生资源，但是越来越多未经处理或未达到排放标准的废水进入水体，使得我国水资源面临的形势更为严峻。国内外广大学者深入研究废水处理课题，致力于发明各种新技术、开发各种新材料、探索各种新工艺，缓解水资源供需矛盾[1-3]。吸附法是废水处理技术中最有效的物化方法之一，吸附剂可以有效地去除废水中各种污染物，尤

2、其是其它方法难以有效处理的有毒和难降解的污染物[1,4]；同时，吸附剂再生技术研究的不断深入[5-7]，更拓宽了吸附法在废水处理中的发展空间和应用前景。膨润土基吸附材料具有表面吸附作用、层间阳离子交换作用、孔道过滤作用及特殊纳米结构-效应等特殊性质[8]，已经成为国内外环境污染控制与修复领域的研究热点之一，主要用于废水中重金属、有机污染物、染料、赤潮和大气环境中挥发性有机污染物的去除及作为土壤污染修复材料等[9]。我国膨润土资源丰富，地域分布广阔，预测资源储量在80亿吨以上，居世界第一；已探明储量

3、为24.6亿吨，占世界的60%[10]。研究表明，储量丰富、价格低廉的膨润土有望取代活性炭和离子交换树脂等高成本吸附材料，应用于工业废水中重金属、有机污染物、氮磷及染料等的吸附处理[11]。因此，根据废水中污染物性质、组成和浓度特点，通过活化、无机柱撑、有机插层、聚合物插层或无机–有机复合改性膨润土，研制开发出经济、高效、新颖的多功能膨润土基吸附材料，具有重要的理论意义和应用价值。1.1膨润土膨润土又叫斑脱岩或膨土岩，是国内外开发最早、应用最广的非金属矿物之一，素有万能粘土之称，已在工

4、农业生产24个领域的100多个部门应用，现与膨润土有关的产品多达300个以上[10]。1.1.1膨润土的性质与组成膨润土属于层状铝硅酸盐粘土矿物，层间可膨胀、阳离子交换容量大(CationExchangeCapacity，CEC，一般为0.8~1.2mol/kg)[12]，其主要成分是蒙脱石(Montmorillonite)。膨润土层间结构可控和表面性质可改特性，被广泛应用在环保[13,14]、药用辅料[15]、催化剂及载体[16,17]、石油[18]、铸造[19]、冶金[20]、建筑[21]、农

5、业[22]、畜牧业[23]、日化用品[24]等领域。膨润土因产地不同而纯度有所差异，蒙脱石含量一般在65~90%之间[25]，含少量石英、长石、云母、高岭石、绿泥石、方解石及有机物等，具有各种颜色，如白色、乳黄色、浅红色、黑色等。天然膨润土主要分为钙基膨润土、钠基膨润土、锂基膨润土和氢基膨润土[10,26]。我国90%以上属钙基土，其次为钠基土，锂基土和氢基土极为少见，属于过渡类型[10]。蒙脱石的一般晶体化学式为[Ex+(Al2-xMgx)(Al,Si)4O10(OH)2•nH2O]。

6、E为层间可交换阳离子，通常是Ca2+、Na+等，也可以是K+、Li+等阳离子或有机分子；x为E是一价阳离子时蒙脱石单位化学式中的层间电荷数，一般在0.2~0.6之间；n为层间水的个数，变化较大[27]。1.1.2膨润土的结构特征膨润土为2:1型层状硅酸盐矿物，结构单元层是由Si–O4四面体中间夹一个Al-O4(OH)2八面体片组成[28]。蒙脱石作为膨润土的主要成分，是由厚1nm、长宽均为100nm的单元晶片堆叠、通过分子间力吸引而形成[26,28]。其晶层间距和颗粒大小可以通过XRD

7、扫射分析和衍射仪慢速扫描。随着技术不断完善，其结构特征研究得以深入，这将有助于研究开发多功能膨润土，进一步拓宽其应用领域[29,30]。关于膨润土主要成分蒙脱石的晶体结构有两种具有代表性的模型，即Hofmann结构模型和Edelman结构模型。Hofinalin模型(图1.1)能说明蒙脱石的XRD等实验现象，Edelman结构模型则能更好地解释多孔黏土材料的形成机理[31]。2新型淀粉/膨润土吸附材料的制备原理及形成机理膨润土在处理重金属离子、有机污染物、氮、磷、臭等诸多领域都有应用。传统改性剂和

8、溶剂易造成二次污染，改性膨润土相对于价廉物丰的天然膨润土成本过高，这些问题对膨润土在废水治理领域的进一步应用与发展起着制约作用[161]。因此，选择绿色价廉、广泛的改性剂，降低改性膨润土成本和减少水处理过程中造成的二次污染，成为改性膨润土开发研究与推广使用解决的重要课题之一。淀粉资源丰富、可生物降解，可通过结构修饰使之成为性能优异的多种变性淀粉，是膨润土改性的理想原料，有望取代石油产品所合成的难降解高聚物[162-167]。季铵型阳离子淀粉无论在酸性、碱性还是中性条件下都呈阳离子状