粘土矿物重金属吸附材料

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  相对于树脂类吸附剂存在的耐热性差、抗辐射性差、费用高等缺点,粘土矿物材料用于环境吸附剂具有明显的优势,比如廉价、资源丰富、易处理、高强度和稳定性,因而是近年来环境吸附材料的研究热点,应用潜力巨大,采用粘土矿物及其加工材料来处理重金属污染已经成为一种趋势。

  1、粘土矿物的环境功能属性

  粘土矿物是指一些含铝、镁等为主的含水层状硅酸盐矿物,包括膨润土、高岭土、蛭石、海泡石、伊利石、坡缕石、沸石、硅藻土、凹凸棒石等。

  粘土矿物结构间包含着可以自由交换的无机阳离子,并且有一部分氧原子电子露在晶体表面上,从而使得粘土矿物具有了良好的吸附性能和具有自净能力两种截然相反的能力。

  在粘土矿物形成过程中,其四面体或八面体结构中往往会出现同晶替代,使电荷出现不平衡,并且由于晶体的破损,在其断裂面上会暴露出氧原子,这些特性使粘土矿物晶面上带有永久性的负电荷,从而对金属离子产生吸引,并且可产生配位作用而结合达到移除的目的。

  同时,颗粒细小、不饱和电荷、比表面积巨大和层间域存在吸附水和阳离子这些特性决定了粘土矿物理想的吸附性。

  2、粘土矿物在重金属吸附中的应用

  大量研究表明,直接使用粘土矿物(如蛭石、膨润土、海泡石等)或者经过简单活化处理后,都显示了对重金属离子较好的吸附效果。

  (1)膨润土

  膨润土片层表面带有永久负电荷,层间结合力弱,具有可交换的阳离子,这种独特的结构赋予了膨润土优秀的阳离子交换性和吸附性。例如,膨润土相比于伊利石和高岭土对铜、锌、铬、镍离子的去除效率更高。彭荣华等对膨润土原土进行热酸改性,发现在离子浓度小于45mg/L时,对铅、镉离子的去除率高达98%以上。

  (2)高岭土

  高岭土层间由氢键连接,结合紧密,没有可交换的阳离子,原始吸附性能并不理想,需要通过对其进行改性处理后才能充分发挥高岭土的吸附性能。吴平霄等人研究发现,采用胡敏酸对高岭土改性后能提高对Cu2+、Cd2+、Cr3+三种重金属的吸附性能。

  (3)海泡石

  海泡石结构单元上下层相间排列呈一维生长,使其具有纤维状体型,大比表面积和丰富的孔道,表现出较好的吸附性能。通过加热(烘烤、焙烧)、水热化、酸处理和离子交换等方法对其进行改性处理后,其比表面积增大,离子交换容量增大,具有更强的吸附能力。

  (4)蛭石

  蛭石在结构布局上与蒙脱石很相似,具有较大的比表面积和较高的离子交换容量,其吸附重金属离子的机理主要是阳离子交换。郭继香等研究发现,蛭石作为水中重金属的吸附剂,与硅藻土、海泡石相比较,具有比表面积大、吸附容量大、重量轻等优点,吸附效果也比较好。

  (5)硅藻土

  硅藻土藻壳体具有大量有序排列的纳米级微孔,是天然的纳米材料,能够吸收相当于自身质量3-4倍的杂质。天然硅藻土对Pb2+、Cu2+、Cd3+均有吸附作用,通过改性处理,可进一步提高硅藻土的吸附能力,增强其吸附效果。

  (6)沸石

  在沸石的晶体结构重,铝原子为正立价,铝氧四面体结构总体带有一个负电荷,为保持电中性,在铝氧四面体附近必须有一个带正电荷的金属阳离子,这就成就了沸石对金属离子的吸附能力。研究表明:使用预处理的方式将沸右改造成Na型沸石,其对重金离子的交换容量较改性前可提高4-5倍。

  (7)凹凸棒石

  凹凸棒石晶体结构内部存在大量的沸石通道,送使得其具有巨大的内比表面积,并且表面还含有极性基团,这些特性都使得凹凸棒石表现出良好的吸附特性,常用于吸附去除水体中的Hg(II)、Cd(II)、Pb(II)等重金属离子。通过酸活化、热活化、硅烷偶联剂和离子液改性处理等改性处理,可进一步提高凹凸棒石对重金属离子的吸附性能。

  我国是一个粘土资源较丰富的国家,高岭土、膨润土、凹凸棒土、海泡石、硅藻土、沸石等粘土矿物经过加工(提纯、表面处理和复合)后,具有选择性吸附有害及各种有机和无机污染物的功能,且原料易得,本身不产生二次污染,因此,无论是从资源角度还是经济角度来讲,粘土矿物都是环境治理的重要材料,值得大力研究与推广应用。

  参考资料:

  [1]周奇.粘土矿物的有机功能化及其重金属吸附特性研究[D].中国地质大学,2016.

  [2]黄晓薇.6种典型粘土矿物对Cr6+吸附特性的比较研究[D].中南林业科技大学,2016.

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