膨潤土多孔材料用于凈化湖泊水的研究

鄭玉琴，劉 楓

（中國非金屬礦工業有限公司，北京 100142）

1 概述

近年來，隨著全球城市化的不斷發展，水污染問題已經成為倍受世人關注的環境問題之一。而水體中較高濃度的COD、氨氮、總磷對環境危害較大，并且氨氮會隨著時間的延長在水體中濃度迅速增加，如何高效、低成本去除水體環境中的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]。研究結果表明：當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，促使水體富營養化的加劇，因此對氨氮和磷的廢水處理，具有重要的現實意義[3]。

近年來，多種水處理技術得到應用，主要有生物法、化學氧化法、結晶化法、三級過濾法和吸附等。因生物法對氨氮和磷的去除率低，且需結合其他工藝，應用受到限制；化學氧化法對難降解的有機物具有選擇性，且成本高，不適合處理大面積的城鎮污水[4]。研究表明，吸附法是廢水處理技術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注。

膨潤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用奠定了基礎。早在20世紀30年代，膨潤土已開始用于水質凈化和廢水處理。近年來，國內外專家在采用膨潤土處理廢水方面做了大量的研究，也取得了一定的進展，主要用作絮凝劑和吸附劑。

針對現有膨潤土吸附劑所存在的吸附低濃度COD、氨氮、總磷效果不佳，難以工程化實施等問題，筆者開發出一種新型膨潤土多孔材料，并圍繞膨潤土多孔材料進行了一系列的科研試驗。通過使用天然鈣基膨潤土為主要原料，在與分散劑、無機發泡劑、穩泡劑、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度的、輕質膨潤土多孔材料[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的天然鈣基膨潤土，分別對此地點的膨潤土原礦進行化學成分分析，結果為(%)：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。其他化學藥劑均采用工業級藥品。

為明確膨潤土的主要礦物組成，對樣品原礦進行了X-射線衍射分析，如圖1所示。

X-射線衍射分析結果表明，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，該原礦為鈣基膨潤土，蒙脫石的特征峰d (001)值為14.7399nm。

圖1 湖北某地鈣基膨潤土XRD衍射圖譜

2.2 制備方法

因膨潤土本身具有較強的吸附性，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。膨潤土多孔材料的制備采用發泡技術，使用十二烷基硫酸鈉和碳酸鈣作為發泡劑，在其他藥劑的輔助下，制成具有狹窄的孔徑分布和一定強度可控微米膨潤土多孔材料。

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

圖2 膨潤土多孔材料制備工藝流程

3 試驗結果和討論

3.1 試驗原料

試驗原料為上述所制膨潤土多孔材料；水體取自湖北某湖泊水，設立三個取水點，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 試驗儀器

多參數水質分析儀、恒溫消解器、移液管、燒杯、注射器、量筒、精密天平等。

3.3 膨潤土多孔材料對湖泊水的吸附性能研究

3.3.1 吸附試驗

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，利用多參數水質分析儀和恒溫消解器分別對其COD、總磷、氨氮進行測定。

用移液管分別移取蒸餾水和被測樣品各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，用水質分析儀測定。

用移液管分別移取蒸餾水和被測樣品各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，然后用水質分析儀測定。

先取10mL待測樣品至于比色瓶中，進行空白試驗，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，測定的數據即為被測樣品中氨氮的濃度。

指標測定結果詳見表2。

表2 膨潤土多孔材料對水體污染物的吸附效果

3.3.2 用量對吸附效果的影響

根據以往試驗的經驗，先假定吸附時間為1h，厚度為3mm，分別取12、14、16、18g/L用量的膨潤土多孔材料對上述水體進行吸附試驗，結果見表3。

表3 膨潤土多孔材料不同用量對吸附效果的影響

表3結果表明，隨著膨潤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，相同時間的吸附效率高；另外，當膨潤土多孔材料的用量等于16g/L時其吸附率分別達到35%、80%、61%；當膨潤土多孔材料的用量大于16g/L時，其吸附率增加趨于緩慢。

3.3.3 吸附時間對吸附效果的影響

選定膨潤土多孔材料的用量為16g/L，厚度為3mm，吸附時間分別取40、50、60、70min，對上述水體進行吸附試驗，結果見表4。

表4 膨潤土多孔材料不同吸附時間對吸附效果的影響

表4結果表明，膨潤土多孔材料用量和厚度一定，隨著吸附時間的延長，水體中的COD、總磷、氨氮的吸附率逐漸增大；另外，當吸附時間等于70min時，其吸附率分別達到39%、78%、61%；當膨潤土多孔材料的吸附時間大于60min時，其吸附率增加趨于緩慢。

3.3.4 厚度對吸附效果的影響

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

表5 膨潤土多孔材料不同厚度對吸附效果的影響

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

綜上可知，當膨潤土多孔材料的用量為16g/L、厚度為3mm、吸附時間為60min時，對湖泊水體中的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養化的問題。

4 結語

綜上所述，膨潤土是一種天然的吸附劑，膨潤土多孔材料對湖泊水體中的COD、總磷、氨氮的去除率顯著，能夠達到解決水體富營養化的目的。用膨潤土制備多孔材料，具有以下諸多優點：①原料儲量豐富、價廉易得；②制備方法簡便；③可有效去除水體中COD、總磷、氨氮；④具有較高的化學穩定性和生物穩定性且容易再生。

膨潤土多孔材料將是取代傳統湖泊水處理材料的一個理想選擇，將得到廣泛應用。我國膨潤土資源十分豐富，因此，應用天然鈣基膨潤土開發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。

[1]張素芳,蔣白懿,李亞峰.膨潤土的改性對水中氨氮和磷的去除效果研究[J].遼寧化工,2011,40(11):1115-1120.

[2]彭先佳,袁繼祖,曹明禮.改性膨潤土在廢水處理中的應用[J].中國非金屬礦工業導刊,2000(5):40-41.

[3]謝愛軍,周煒,年躍剛,等.人工濕地技術及其在富營養化湖泊污染控制中的應用[J].凈水技術,2005,24(6):49-52.

[4]李秋紅,孫秀田.淺談中小城鎮污水處理[J].科技信息,2011(23):70-71.

[5]趙東元,朱海峰,金碧輝.多孔材料[J].中國基礎科學,2005(3):19-21.