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| 海泡石在環(huán)境治理領(lǐng)域的應用 |
| 來(lái)源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2016-01-08 09:36:34 瀏覽次數： |
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環(huán)境礦物材料因具有資源豐富、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)成為近年來(lái)國內外研究工作者的熱點(diǎn)。環(huán)境礦物材料可定義為由礦物及其改性產(chǎn)物組成的與生態(tài)環(huán)境具有良好協(xié)調性或直接具有防治污染和修復環(huán)境功能的一類(lèi)礦物材料。利用環(huán)境礦物材料如活性炭、海泡石、蒙脫石、硅藻土等吸附處理廢水已得到越來(lái)越廣泛的應用，并取得了很好的效果。由于坡縷石、海泡石、沸石、膨潤土、累托石等為典型的天然納米粘土礦物材料,基于其特有的孔道結構、晶體表面生長(cháng)缺陷的發(fā)育和納米級尺寸效應,經(jīng)充分分散處理后具有大比表面積和超強吸附性。海泡石作為一種新型的礦物原材料,在我國河南、湖南、湖北、安徽和河北均有豐富的儲量。主要成分為SiO2、MgO和H2O，相對密度2.4～2.6，外觀(guān)為灰白色束狀纖維或粉末。海泡石無(wú)毒無(wú)味，具有較高的熱穩定性，特別是貫穿整個(gè)結構、截面積為0.36nm×1.06nm的管狀通道和孔洞，使其具有高達900m2/g的比表面積，具有很強的吸附能力，可以吸附大量的極性物質(zhì)。
海泡石是一種富鎂纖維狀硅酸鹽粘土礦物，結構通式為是Si12O30Mg8(OHF)4· 8H2O，是目前比表面積最高的天然無(wú)機礦物質(zhì)。海泡石本身的特殊結構決定了它具有3種特性，即吸附性、流變性和催化性。海泡石具有有很好的吸附、流變、催化、阻燃、耐腐蝕等性能?；谶@些特性，海泡石已廣泛應用在化工、醫藥、環(huán)保、軍事、冶金、石油、建材、食品加工、農業(yè)等部門(mén)。據目前國內外的資料統計，海泡石的用途達130多種，成為世界上用途最廣的礦物原料之一。
海泡石由于獨特的晶體結構而具有比表面積大、吸附性能好和離子交換能力強的特點(diǎn)，并且價(jià)格低廉，儲量豐富，加工處理工藝相對簡(jiǎn)單，應用于環(huán)境保護，具有投資少、處理效果好且無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，因此在環(huán)境治理方面有廣闊的應用前景。
1 廢水處理
1.1 重金屬廢水
改性海泡石吸附重金屬離子的主要形式為表面絡(luò )合吸附和離子交換吸附。海泡石經(jīng)改性后其網(wǎng)狀孔徑變大，表面更多的酸性羥基暴露出來(lái)，這些羥基和水分子可與重金屬離子絡(luò )合，這種吸附屬于表面絡(luò )合吸附。在吸附過(guò)程中，重金屬離子與改性海泡石中可交換的陽(yáng)離子發(fā)生離子交換反應，這種吸附屬于離子交換吸附。改性后的海泡石對重金屬離子有較好的吸附性，如用1.0 mol/L的HCl溶液對海泡石處理后再在450℃下灼燒而得的改性海泡石對電鍍廢水中重金屬離子Pb2+、Cu2+、Cd2+有很好的吸附能力，處理后的廢水中重金屬離子含量達到國家排放標準；用HCl溶液浸泡后再在420℃下烘烤改性后的海泡石，用于含Pb2+、Cd2+、Hg2+等重金屬離子冶金廢水的處理，去除率達100%，處理后的廢水中含量明顯低于國標GBJ4-73中容許的最高排放濃度；經(jīng)酸改性后的海泡石可有效去除工業(yè)廢水中Pb2+、Cu2+、Cd2+、CO2+、Zn2+金屬陽(yáng)離子，吸附力的順序為Cu2+> Zn2+> Cd2+> Pb2+=CO2+，處理效果達到國際排放標準；酸和離子改性的海泡石對工業(yè)廢水中的微量重金屬離子吸附效果好，吸附容量為Cd2+> Cu2+> Zn2+> Ni2+，對于Cd2+離子的吸附量達到8.26 mg/g，達到凈化的目的；用Fe3+對海泡石進(jìn)行改性后，可有效地吸附去除水中的負離子，如鉻、砷離子，對鉻離子的吸附效率達到92%，同時(shí)表明它對氯離子也有較高的吸附效率；用FeCl3改性的天然海泡石對砷的去除率大于95%，處理后的水中砷含量低于0.05 mg/L國際飲用水標準。由研究結果表明，海泡石在處理含有害離子廢水方面有很好的應用前景，特別是經(jīng)Fe3+改性的海泡石為重離子廢水的處理提供了一條有價(jià)值的途徑。
1.2 有機廢水
海泡石結構中存在兩個(gè)吸附位，一個(gè)是硅酸鹽外表面的硅烷醇基團形成的中性吸附位，另一個(gè)是用低價(jià)金屬離子替代Si4+形成的負電吸附位，這兩種吸附位在海泡石上的分布使得它對中性有機分子或有機陽(yáng)離子有很強的吸附能力。
經(jīng)研究發(fā)現，天然海泡石用1%(Wt)稀鹽酸改性并在100℃下烘干后處理一價(jià)有機陽(yáng)離子亞甲基藍(MB)和結晶紫(CV)以及二價(jià)有機陽(yáng)離子甲基綠(MG)，MB和CV的最大吸附量，分別達到海泡石陽(yáng)離子交換容量(CEC)的4.1倍和5.3倍；而MG的最大吸附量?jì)H為1.4倍CEC。這主要可歸結為其對一價(jià)陽(yáng)離子的吸附，除發(fā)生在帶負電位上外，還可發(fā)生在中性位；而對于二價(jià)陽(yáng)離子來(lái)說(shuō)，吸附僅僅是以離子交換為主。E.Sabah等人對海泡石首先在300℃下進(jìn)行熱活化，然后用NHN03在室溫下酸化3h，用于吸附廢水中的溴化十二烷基三甲銨(DTAB)、溴化十六碳烷基三甲銨(HTAB)、長(cháng)碳鏈和短碳鏈季錢(qián)鹽等有機化合物均有很好的效果。G.Rytwo通過(guò)實(shí)驗也得出了同樣結論，即海泡石中性吸附位是具有強吸附性的主要原因。
海泡石不僅可用來(lái)吸附有機陽(yáng)離子，也可以吸附有機陰離子，如下相關(guān)實(shí)驗均取得了很好的結果。Orhan Ozdemir等人用典型季銨表面活性劑十六碳烷基三甲銨對海泡石改性，使其表面疏水，并由于負電荷被中和表面積累了大量正電荷；由于靜電吸引作用海泡石能對帶負電的染料分子產(chǎn)生吸附作用；用改性海泡石對Everzol黃、黑、紅三種含陰離子磺酸基染料進(jìn)行吸附得出最大吸附容量分別為169.1g/kg、120.5g/kg和108.8g/kg。
1.3 無(wú)機非金屬廢水
用海泡石處理富營(yíng)養化的污水也有很好的效果。有發(fā)明公開(kāi)了一種以坡縷石、海泡石為載體的水凈化劑及其制備與使用方法。它是在坡縷石、海泡石的礦物晶格內及其表面附搭載了三價(jià)鐵離子及其氫氧化物，按重量百分比計，鐵元素在催化劑中的含量為1～25％。這種水凈化劑以天然坡縷石、海泡石為主要原料，它具有來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，而且它制備工藝簡(jiǎn)單，使用方便，對水體中的陰離子污染物，如可溶性磷、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，以及表面帶有負電荷的浮游藻類(lèi)具有很強的吸附能力，兼有抑制水體富營(yíng)養化和殺滅浮游藻類(lèi)雙重功效，適合于水產(chǎn)養殖行業(yè)的水體凈化，常規使用能凈化水質(zhì)，預防水產(chǎn)病害的發(fā)生。赤潮發(fā)生時(shí)，將它噴灑在赤潮海域，能在短時(shí)間內使藻類(lèi)沉入海底死亡，可將赤潮阻擋在養殖海域外。實(shí)驗室研究中，用Al2(SO4)3活化處理后的改性海泡石，在pH值為6～7時(shí)，對含氟濃度為5 mg/L的高氟水進(jìn)行了去除實(shí)驗，去氟率達到86.5%，達到了國家飲用水標準，且不會(huì )引起二次污染利用海泡石與氯化鎂等無(wú)機物在適當條件下反應而研制成的新型復合吸附劑經(jīng)過(guò)l%的HCl改性后能較好的吸附廢水中的磷，去除率達98%，吸附容量在27mg/g；Sunabalci經(jīng)研究發(fā)現海泡石對廢水中的銨離子吸附效果良好，對含氮化合物中NH4的吸收為3.5mmol/g，去除率達到90%以上，其中60%的氮被轉化為無(wú)毒物質(zhì)。
1.4 放射性元素廢水
鄭宜昌研究了瀏陽(yáng)海泡石粘土對放射性核素Sr2+的吸附性能。結果表明:海泡石粘土對水溶液中放射性核素Sr2+具有一定吸附能力，堿性環(huán)境下更有利于吸附作用的進(jìn)行。酸活化和熱活化處理均可不同程度提高海泡石粘土對Sr2+的吸附效果；用15%的鹽酸酸化并在120℃溫度下烘烤而得的改性海泡石與微生物(T·emersonii CBS 814·70)的混合吸附劑處理含鈾廢水，去除率可達98%以上。
1.5 有色廢水
江西樂(lè )平海泡石資源豐富，海泡石質(zhì)量?jì)?yōu)于湖南海泡石，用于處理紡織印染廢水，吸附容量30.7 mg/g，脫色效果理想(脫色率>90%)，CODcr去除率雖只達到70%~80%，但可以海泡石吸附作為預處理手段，以減輕后續處理的負擔，也可望通過(guò)對海泡石改性或以海泡石為主要成分研制高效的復合吸附劑，而使CODcr去除率得到提高。作為一種低廉的吸附劑，海泡石具有較好的工業(yè)實(shí)用價(jià)值和開(kāi)發(fā)應用價(jià)值。
2 有害氣體吸附凈化
海泡石對有惡臭味或有害氣體具有良好的吸附性，尤其是對含氮化合物，如氨氣、甲醛、硫化物、腐胺和尸胺等有極強的吸附作用，廣泛用于干燥劑和吸附除臭劑等。經(jīng)酸改性的海泡石對NH3、Cl2、H2S、SO2、HCl和Cl2有極強的吸附性，其吸附能力為:HCl> Cl2> SO2，NH3>H2S；改性的海泡石加入一定量的活性炭是卷煙過(guò)濾嘴的理想原料，可去除危害人體的腈、丙酮和丙烯醛等氣態(tài)的極性化合物，并吸附煙霧中的CO、CO2等小顆粒；如用110～500℃的溫度熱改性海泡石能夠去除N2，CO2，NH3和H2O；改性海泡石適于室內懸掛凈化空氣，放置于冰箱中可極大地降低有害氣體的濃度，保持冰箱的清潔；也可用于紙張中，作為鞋底、鞋墊和墻壁裝飾紙等，達到除味吸濕目的。
另有發(fā)明公開(kāi)了一種脫除高溫氣體中堿金屬蒸氣的吸附劑及其制備方法，所述的吸附劑以SiO2、Al2O3為主要成分的礦物(如高嶺土、海泡石、鋁土和硅藻土)為活性組分，另外添加適量無(wú)機或有機粘結劑和擴孔劑，以提高活性組分的吸附能力、吸附劑孔隙率和穩定性。其具有成本低和制備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可應用于脫除高溫燃氣和其他工業(yè)氣體中堿金屬蒸氣領(lǐng)域。
3 土壤修復
海泡石的吸附和離子交換能力還可應用于污染土壤的修復。王長(cháng)偉等人通過(guò)盆栽試驗研究了海泡石、磷酸鹽以及二者復配施用對重金屬Cd、Pb復合污染土壤的鈍化修復效應。結果表明，海泡石單一處理對油菜生長(cháng)沒(méi)有顯著(zhù)的促進(jìn)作用，而磷酸鹽單一處理以及海泡石與磷酸鹽復合處理可以顯著(zhù)提高油菜地上部和根部生物量。海泡石與磷酸鹽復合處理對降低油菜地上部Cd、Pb質(zhì)量比效果最為顯著(zhù)，最大降低率分別可達59.76%和38.95%；磷酸鹽單一處理降低油菜根部Cd、Pb質(zhì)量比效果最好，最大降低率可達32.19%和44.30%；海泡石單一處理降低油菜Cd、Pb吸收的效果最差。不同鈍化劑處理均可顯著(zhù)提高土壤pH值。絕大部分鈍化劑處理均可顯著(zhù)降低土壤有效態(tài)Cd、Pb質(zhì)量比。綜合試驗結果，6%海泡石與磷酸鹽復合處理對土壤Cd、Pb復合污染的鈍化修復效果最好。
4 環(huán)保型建材涂料
如何從源頭控制室內裝飾造成的污染，這是多年來(lái)人們普遍關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題，具有吸附能力的海泡石涂料的研制成功，從一個(gè)方面對這一問(wèn)題給出了很好的答案。這種新型海泡石涂料主要有四個(gè)特點(diǎn)：一個(gè)是本身無(wú)污染，二是可以吸附空氣當中的甲醛等污染物質(zhì)，三是可以調節空氣濕度，四是具有吸音、降噪效果。
海泡石可取代石棉，應用于保溫、隔熱、絕緣、隔音工業(yè)及磨擦材料工業(yè)中。用海泡石形成的涂敷性保溫材料，因其具有導熱性低，保溫性能好，熱損失低，強度高的特性，且無(wú)毒、無(wú)污染、耐油、耐堿、耐腐蝕，還能防火、防燃、附著(zhù)力強、不易裂縫等性能。此外，海泡石保溫材料還具有用量少、涂料薄，對管道可直接涂敷，不用捆扎的特點(diǎn)，因而施工方便，且降低成本，節省能耗。目前，全國很多保溫、密封材料廠(chǎng)都注重了海泡石的特殊保溫節能方面的應用。有發(fā)明公開(kāi)了一種環(huán)保型復合保溫材料，它由下述組份組成：海泡石100重量份；英石15-20重量份；硅酸纖維棉8-12重量份；膨脹珍珠巖45-55重量份；水玻璃10-15重量份；以及1788膠1-3重量份。這種材料，存儲方便、保溫效果好、防火性能好，并完全符合環(huán)保要求。另外有研究將海泡石作為一種具有自調濕功能的建材添加劑，其重量組分為海泡石族礦物：10～70份；木質(zhì)纖維：2～40份；復合磷酸鹽：5～40份；纖維素：0.1～10份；活性炭：2～10.5份；無(wú)機抗菌劑：0～3份；防霉劑：0～3份。其制備工藝包括海泡石族礦物的酸洗、活化以及各組分的混合、制漿、成型、焙燒和破碎。將該添加劑加入各種建筑材料中，可制成具有良好自動(dòng)調濕功能以及抗菌、防霉功能的建筑材料。能有效改善居室和工作場(chǎng)所的室內環(huán)境空氣質(zhì)量，其原料獲取容易，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，制造成本低，可以減少或取消室內空氣濕度調節裝置的運行時(shí)間和次數，節約能源，具有良好的市場(chǎng)前景和推廣應用價(jià)值。應用海泡石制作保健建筑裝飾板材，對人體健康安全無(wú)損，無(wú)毒無(wú)味、無(wú)污染，并且有較好的強度和透氣、吸水性能，還具有防火防潮功能，可廣泛用于各種建筑場(chǎng)所的裝飾。
在摩擦材料中加入海泡石膠體代替石棉作增強基料，可使其具有韌性好，抗拉和抗彎度大，沖擊強度高，抗高溫衰退性好，磨損小，特別是高溫磨損小。此外，密度比石棉摩擦片小，剎車(chē)無(wú)噪音，無(wú)致癌物，無(wú)污染，且能降低成本，提高質(zhì)量。
5 展望
由于海泡石具有巨大的比表面和獨特的孔結構， 吸附性能好和離子交換能力強的特點(diǎn)，海泡石的用途十分廣泛，在環(huán)保領(lǐng)域中，由于其比表面僅次于活性炭,而其價(jià)格卻十分低廉,因此海泡石作為環(huán)境保護中的吸附劑和催化劑載體具有廣闊的應用前景。在這方面,國內外學(xué)者對海泡石的研究尚屬發(fā)展階段。另外,稀土元素在海泡石上的應用研究較缺乏,尤其是國內尚屬空白。海泡石儲量豐富,加工處理工藝相對簡(jiǎn)單,應用于環(huán)境保護,具有投資少、處理效果好且無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn),因此在環(huán)境治理方面有廣闊的應用前景。,由于納米材料具有常規材料所不具備的特性,近十年來(lái),納米材料的制備技術(shù)及其應用研究發(fā)展迅速。納米海泡石處理廢水的潛力巨大、前景廣闊,但目前國內外都還處在開(kāi)始研究階段,盡管在環(huán)境保護中的應用研究才剛剛開(kāi)始,但初步的研究成果足以顯示其巨大的應用前景和價(jià)值。隨著(zhù)人們對環(huán)境的日益重視,納米吸附技術(shù)和海泡石材料在環(huán)保領(lǐng)域的應用、尤其是在廢水處理工程中的應用將成為研究熱點(diǎn)之一。
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