凹凸棒對(duì)鹽堿水的處理研究

黃小鴻,楊豆豆

(隴南師范高等?？茖W(xué)校 農(nóng)林技術(shù)學(xué)院,甘肅 隴南 742500)

鹽堿地是較普遍存在的土壤類型之一,是土地資源中的重要組成部分,世界性的資源和生態(tài)問題之一.我國(guó)地大物博,但是人口數(shù)量巨大,人均耕地面積少,鹽堿地的改良與治理對(duì)于我國(guó)這樣一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)來說意義重大,鹽堿性水質(zhì)不利植物生長(zhǎng),所以鹽堿地的改良與治理也必然成了農(nóng)業(yè)、牧業(yè)、林業(yè)領(lǐng)域一個(gè)極其重要的研究?jī)?nèi)容,我國(guó)生態(tài)建設(shè)與實(shí)現(xiàn)全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急是如何更好地治理鹽堿地和植物利用鹽堿地[1-2].這是現(xiàn)在和未來科研人員關(guān)注的重點(diǎn)問題.

1860年,俄羅斯學(xué)者薩夫欽科夫(Tsavtchenkov)在烏拉爾坡縷縞斯克(Palygorsk)礦區(qū)的熱液蝕變帶中首次發(fā)現(xiàn)了一種礦物,以及中國(guó)學(xué)者許冀泉 1976 年在中國(guó)的江蘇省六合區(qū)竹鎮(zhèn)小盤山也發(fā)現(xiàn)了該礦物(凹凸棒土)[3].該礦物為一種層鏈狀結(jié)構(gòu)的含水富鎂鋁的硅酸鹽粘土礦物[4-6].

江娜等[8]制備一種復(fù)合凹凸棒鹽堿地微環(huán)境改良劑,是由凹凸棒土、有機(jī)高分子、磷石膏和風(fēng)化煤等制備而成的納米復(fù)合物.通過離子交換、鈍化和酸堿調(diào)節(jié)等作用來改善作物根系附近微環(huán)境的鹽堿土,降鹽壓堿,促進(jìn)作物生長(zhǎng),提高作物耐鹽堿性.李蕾等[9]將污泥與鹽堿地土壤進(jìn)行了復(fù)配,對(duì)好氧堆肥污泥添加量為10%、20%、30%的復(fù)配土壤的電導(dǎo)率進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明當(dāng)向這三種復(fù)配土中加入凹凸棒粉有降低復(fù)配土壤電導(dǎo)率的作用,凹凸棒粉的添加量為5%時(shí)效果最好.

本文中研究了納米凹凸棒土與石英石混合后在一定比例下對(duì)鹽堿水進(jìn)行處理,當(dāng)凹凸棒與石英石的質(zhì)量比為20∶3時(shí)與其他質(zhì)量比的樣品比較有更高的性價(jià)比，此時(shí)達(dá)到最佳的降鹽降堿效果.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 原料與試劑

X400型凹凸棒土(常州鼎邦礦產(chǎn)品科技);RJHB-1型石英石(鞏義市潤(rùn)佳凈水材料銷售有限公司);碳酸氫鈉(分析純,天津市河?xùn)|區(qū)紅巖試劑廠).

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

AE100S型分析天平(上海精密科學(xué)儀器有限公司);DHG-9240A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海精密科學(xué)儀器有限公司);TCL-16K型離心機(jī)(上海精密科學(xué)儀器有限公司);DDS-307型電導(dǎo)儀(上海精密科學(xué)儀器有限公司);FE-20K型pH計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司);IS1型傅立葉變換紅外光譜儀(日本Shimadzu島津公司).

1.2 水處理凹凸棒的制備

水處理凹凸棒是由凹凸棒土和120目的石英石按照一定的質(zhì)量比混合而成.其具體制備過程如下:

(i)將石英砂在120 ℃烘箱內(nèi)烘干3 h備用;

(ii)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如下.將凹凸棒土和石英石按照不同質(zhì)量比混合成多個(gè)組分,其中石英石質(zhì)量不變,為20 g,凹凸棒添加量分別為0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 g,記為CK、T05、T10、T15、T20、T25、T30、T35.

1.3 組成性能表征

在進(jìn)行凹凸棒的降鹽降堿性能研究之前,首先有必要對(duì)其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行介紹.本文通過傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜儀(FTIR)測(cè)試方法,對(duì)凹凸棒進(jìn)行了基本的化學(xué)組成性能表征.

1.4 性能研究

首先將干凈的50 mL離心管底部扎一個(gè)直徑約2 mm的孔(先在底部少量墊上一些脫脂棉,防止凹凸棒混合物從小孔漏到燒杯中,影響試驗(yàn)各項(xiàng)數(shù)值,凹凸棒混合物上面再覆一層薄脫脂棉,隔離鹽堿水和混合物);然后將20 g干的石英砂和一定比例凹凸棒混合均勻加入該離心管中(石英石混合凹凸棒可以使混合物更疏松,便于鹽堿水滲透);接下來將整個(gè)離心管豎直固定在鐵架臺(tái)上,用固定在上端的滴液漏斗滴加0.1 mol·L的碳酸氫鈉30 mL.這里用碳酸氫鈉水溶液模擬鹽堿水;離心管下方用小燒杯接凹凸棒處理后的鹽堿水,0.5 h后離心管中的液體基本滴完;最后測(cè)此燒杯中清液的電導(dǎo)率和pH值.平行實(shí)驗(yàn)三次.

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外譜圖分析

圖1 凹凸棒紅外吸收光譜圖

由圖1可知當(dāng)波函數(shù)為400 cm-1左右的吸收峰為Si-O的對(duì)稱吸收峰,當(dāng)波函數(shù)為1000 cm-1左右的吸收峰為Si-O-S的反對(duì)稱吸收峰,波函數(shù)為3400 cm-1左右的吸收峰為O-H的彎曲震動(dòng)峰.凹凸棒在水相中能通過氫鍵、范德華力和粘滯力等進(jìn)行弱相互作用[10].凹凸棒和其他離子的這種相互作用,能夠使水相的離子含量和堿性有所降低.

2.2 凹凸棒處理過后鹽堿水的電導(dǎo)率和pH值規(guī)律

處理后鹽堿水的電導(dǎo)率和pH值如圖2和圖3.由圖2可知隨著凹凸棒添加量的增加,被凹凸棒處理后鹽堿水的pH值隨之減小.當(dāng)添加量為3.0 g后pH值降低幅度很小,基本保持不變.

圖2 鹽堿水的pH值

由圖3可知,隨著凹凸棒添加量的增加,凹凸棒處理后的鹽堿水的電導(dǎo)率值下降,添加量達(dá)到3.0 g以后電導(dǎo)率值下降幅度很小,基本保持不變.

圖3 鹽堿水的電導(dǎo)率值

表1 鹽堿水的電導(dǎo)率值和pH值

由表1可知凹凸棒處理后的鹽堿水電導(dǎo)率和pH值隨著凹凸棒添加量的增加而減小,這與凹凸棒的吸附量有關(guān),凹凸棒特有的結(jié)構(gòu)使它具有吸附和離子交換作用,可吸附多種陰、陽離子,使鹽堿水中的離子數(shù)目下降,從而達(dá)到離子含量和堿性降低.當(dāng)凹凸棒的添加量增加達(dá)到一定量后,吸附等作用也基本達(dá)到飽和,電導(dǎo)率和pH值隨凹凸棒添加量而降低的程度很小,電導(dǎo)率和pH值基本不變.因此,處理鹽堿水時(shí),此型號(hào)的凹凸棒的理論最佳添加量為石英石∶凹凸棒=20∶3,再增加凹凸棒的添加量,對(duì)理化性質(zhì)改變不大,反而造成成本的浪費(fèi).

2.3 凹凸棒對(duì)鹽堿水的降鹽率

降鹽率用以下方法得到,CK與凹凸棒添加量不同時(shí)處理后鹽堿水的電導(dǎo)率的差值,與CK之比得到降鹽率

(1)

(1)式中△i為CK與不同質(zhì)量凹凸棒添加量處理后鹽堿水電導(dǎo)率的差值.

由圖4可知,△i越大降鹽率越大，即,凹凸棒的添加量越大時(shí)，處理后鹽堿水的電導(dǎo)率越小，鹽堿水中離子越少,證明了增加凹凸棒添加量,可以達(dá)到使鹽堿水的離子含量減少降鹽堿的目的,當(dāng)凹凸棒添加量達(dá)到3.0 g時(shí)效果最好，再添加凹凸棒質(zhì)量降鹽率基本保持不變.

圖4 降鹽率隨的變化規(guī)律

從表2可知,本文中得到此試驗(yàn)裝置處理鹽堿水的凹凸棒的最佳添加量為3.0 g,此時(shí)得到降鹽率結(jié)果為21.92%.

表2 不同質(zhì)量比處理后鹽堿水與空白樣電導(dǎo)率差值和降鹽率

3 結(jié)論

一款型號(hào)為X400的凹凸棒與石英石混合,考察了此型號(hào)凹凸棒對(duì)鹽堿水的降鹽堿效果.設(shè)計(jì)了一套凹凸棒水處理鹽堿水試驗(yàn)裝置,發(fā)現(xiàn)用凹凸棒處理鹽堿水,確有降鹽堿效果;處理后鹽堿水的電導(dǎo)率由未添加凹凸棒的6160 us·cm-1下降到凹凸棒添加量為3.0 g時(shí)的4810 us·cm-1,凹凸棒處理后的鹽堿水的pH值由未添加凹凸棒時(shí)的8.93下降到添加量為3.0 g時(shí)的8.22.石英石和凹凸棒的質(zhì)量比為20∶3時(shí)為最佳添加量.再增加凹凸棒質(zhì)量,電導(dǎo)率值和pH值變化不明顯,此最佳添加量時(shí)的降鹽堿率為21.92%.