雨水净化 这几种非金属矿物材料或许能派上用场


来源:中国粉体网   茜茜

[导读]  我国物产丰富,非金属矿物多达96种,非金属矿物中的一些材料极具吸附性能,想必是绝佳的滤水材料。另外,很多学者、研究者也对具有吸附性能的非金属矿物进行多次试验,并获得了一些进展。

中国粉体网讯  雨水是重要的水资源,作为一种非传统水源,在我国曾被当作灾害加以防治,而现在雨水已成为缓解城市水资源紧张状况的重要的可用水资源之一,是解决水资源供需矛盾的重要途径。前不久,小编所在的城市就经历了一次雨水的“洗礼”。雨水退却后的地面脏迹斑斑,空气中夹杂了阵阵臭味,直逼你的心房!




雨水利用既是一种对资源的开发和节约,也可实现节水、水资源涵养与保护、减轻城市排水和处理系统的负荷、减少水污染和改善城市生态环境,节省市政和居民用水开支。


但日常生活中的大气沉降物、生活垃圾、汽车漏油、磨损的轮胎、融雪剂、农药、杀虫剂的使用、建筑工地上的淤泥和沉淀物、动植物的有机废弃物等均会使径流雨水中含有大量污染物,包括有机物、病原体、重金属、油剂、悬浮固体等问题,造成了降雨径流的水质污染。


我国物产丰富,非金属矿物多达96种,非金属矿物中的一些材料极具吸附性能,想必是绝佳的滤水材料。另外,很多学者、研究者也对具有吸附性能的非金属矿物进行多次试验,并获得了一些进展。


◆蛭石


天然蛭石是典型的硅铝酸盐黏土,具有资源丰富、价廉易得、亲水、层板带负电荷、多级结构和物理化学性能稳定等优势,其在水处理应用中的优势凸显。由于蛭石强大的离子交换能力,科学家对蛭石吸附金属阳离子开展了大量研究工作。利用膨润土蛭石作为固体吸附剂,研究其对水体中金属阳离子的吸附,主要包括As3+、Ba2+、Cu2+、Cd2+、Co2+、Cr3+、Mn2+、Ca2+、Ni2+、Pb2+、Sr2+、V3+和Zn2+的吸附与再生性能。


 

蛭石结构模型示意图


石棉尾矿


石棉尾矿是石棉生产过程中所废弃的部分。在石棉矿选矿加工过程当中,会产生大量的尾渣,这些剥离下来的尾渣就是石棉尾矿,SiO2和MgO是其主要化学成分,另外,它还含有少部分的Al2O3、Fe2O3、Cr2O3、CaO和K2O等。其主要矿物成分为蛇纹石(蛇纹石理想的化学式:Mg6[Si4O10](OH)8),并含有少许滑石石英以及微量黏土。其结构单元层是由硅氧四面体片(T)和氢氧镁八面体片(O)按照1:1结合而成的。在硅氧四面体层与氢氧镁八面体层相匹配中,硅氧四面体所形成的六方环范围内,有三个氢氧镁八面体与之相适应。蛇纹石类矿物含有多种类型的不饱和键,主要包括Si-O-Si、O-Si-O、Mg-O-Mg、Si-O-Mg、Mg-OH-Mg、OH-Mg-OH和OH-Mg-O键。




在一定条件下,例如在酸性条件下,Mg-OH键和Mg-O键容易发生断裂,其中,-OH和Mg2+便从晶格中浸出,留下的是难以溶解的脆性SiO2质纤维残核,并含有大量纤维状矿物及少量颗粒状矿物。这是蛇纹石类矿物的性质特点。


近年来,石棉尾矿在污水处理方面的应用日趋凸显。大量研究表明,石棉尾矿可用于吸附方面。檀竹红,郑水林等人研究了石棉尾矿经处理(如酸浸,煅烧等)后对Cu2+、Zn2+、Cr3+等重金属离子的吸附,其吸附率达98%,甚至100%。它经过酸处理或者通过表面改性,使其纤维结构被破坏一大部分,由此其潜在的生物毒性可降低甚至能够消失,对环境无害化,并且表面的缺陷数量和空隙也随之增多了;而反应剩下的二氧化硅,形成具有较高比表面积的无定型二氧化硅,且内部含有大量微孔,是优良的吸附材料。另外,早期就有石棉尾矿经处理后可以有效地吸附海洋上的石油层的研究,并对海洋生物完全无毒害性。其可能的机理:石棉尾矿微粒的吸水性能好,可以游离的分散在水中,尤其分散在海水中,呈乳白液状悬浮在水中。当和碳氢化合物接触时,石油表面张力小于水,被吸附在悬浮的微粒上,微粒成为核心,石油包裹在外面(秦惠芳译自法国《Thdustriemiaérale-minézaluzgie》)。


◆埃洛石


埃洛石(HNTs)是1:1型具有二八面体结构单元层的硅铝酸盐,且含有水分,属单斜晶系。其晶体结构和高岭石类似,其分子式Al2Si2O5(OH)4•nH2O(其中n=0~2)。其主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O和TiO2,另外,还有少量的CaO及MgO,大多数呈现灰白色。埃洛石纳米管为存在于自然界中的一种天然纳米粘土矿物材料,矿点分布区几乎遍布世界各大洲,我国埃洛石资源储量也相当丰富,如在我国广东、湖北、湖南、四川、贵州、云南等地区均矿存有大量埃洛石。


 

埃洛石结构


埃洛石具有一个空的内腔,一般由多个片层卷曲而成的,管外径为10~20nm,内径为40~100nm,长度为0.5~40μm,晶层数为15~40,至少在一维方向具有纳米效应。因而其在陶瓷、模板药、物缓释体系、微反应器、催化剂等领域有一定的应用热潮。它作为天然的一维纳米材料,在各个领域具有很高的理论价值和实践意义。因其比表面积大,加上外表面带有大量的负电荷,因而使其具备了吸附、过滤、杀菌等特性,为“工业三废”特别是废水和废气的处理开辟出了一条新道路。许多国内外学者将埃洛石纳米管应用于污水处理方面。


郑州大学教授张冰课题组及天津大学教授马晓飞课题组,探究了埃洛石及其改性材料对有机染料的吸附,结果表明埃洛石可以作为一种吸附材料去除有机废水中的污染物,并能达到理想的吸附效果。


国外教授Kilislioglu.A将埃洛石纳米管用于六价铀酰离子的吸附,结果表明铀酰离子在其表面上吸附效果较好,且吸附行为吸热和自发进行的。


兰州大学赵明飞等采用埃洛石对阴离子染料亚甲基蓝进行吸附研究,结果表明30min即可达到饱和吸附量,其最大吸附容量为84.32mg/g。本实验所用的埃洛石样品经研磨已过200目筛,为灰白色;其化学成分主要是SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O和TiO2,并含有少量的CaO及MgO。


◆伊利石


伊利石是一种高钾、富铝且比表面积大的层状含水硅酸盐云母类粘土矿物,其层间区域中存在着可交换的水合阳离子和水,又名水白云母,属于单斜晶系类矿物。由于最先发现于伊利诺斯州(美国),因而取名为伊利石。


在我国的上世纪80年代,关于伊利石矿的开发利用的势头已略见眉端。伊利石黏土矿分布广泛,主要分布地区有浙江、四川、江西、河北、河南、陕西、甘肃、新疆、内蒙古、吉林、辽宁等地。伊利石应用广泛,可在塑料(填料)、化肥(钾钙肥、钾氮肥、磷钾钙肥等)、陶瓷(马赛克、空心砖等)、造纸,污水处理等多个领域中使用。污水处理方面,主要应用于工业废水、蓝藻、核污染等环境领域。


李春玲等人研究了伊利石对Zn(II)、Cd(II)等吸附,竞争吸附与解析等的研究,刘霞等人研究了伊利石对放射性63Co(II),重金属镉(Ⅱ)等的吸附进行了全面而详细的研究,并进行了吸附动力学和热力学方面的研究。


◆膨润土


膨润土是以蒙脱石为主要成分的一类粘土矿物,具有二维纳米片层结构,可进行层间交换、吸附、聚合、催化,蒙脱石因不等价阳离子置换而产生永久性负电荷,有很大的内外表面积,具有较高的离子交换容量和较强的吸附能力。


膨润土防水毯是以膨润土为主要原料填充在复合土工布和无纺布之间,通过针刺工艺制成的土工合成材料。其可用作垃圾填埋、废水池、循环水池、矿石堆存、尾矿库等场地的衬垫,以阻止重金属离子渗透至周围岩石和地下水源中。


◆海泡石


海泡石是一种纤维状的硅酸盐粘土矿物,独特的蜂窝状内孔孔道和层键状结构,使海泡石拥有高比表面积,是处理废水的理想材料。


刘芳莹采用海泡石模拟处理德兴铜矿酸性矿山废水,在20min内,1g海泡石对起始质量浓度为1mg/g的Pb2+、Cd2+去除率均在80%以上,Cu2+、Zn2+、Mn2+、Ni2+等重金属离子的存在会影响海泡石对Cd2+的吸附,对Pb2+则基本无影响。


硅藻土


硅藻土是一种多孔性的天然无定形硅质岩,含有大量、多级、有序排列的微孔,表面和孔内部分布有大量的硅羟基和氢键,具有良好的吸附性能。天然硅藻土杂质含量较多,通过焙烧、酸洗、表面包覆、柱撑、有机改性和复合改性等处理可提高其吸附性能。


帅欢等利用硅藻土负载光催化剂处理染料废水,利用硅藻土的吸附性能提高光催化剂附近的污染物浓度,利用硅藻土的多孔性能增加光催化剂与污染物接触的活性位点,大大提高了对污染物的降解能力,降解率可以达到96.4%。


小结


近年来,我国高度重视绿色矿山建设和生态环境保护,废水治理更是重中之重,从我国工业经济和生态文明建设的发展趋势来看,未来将需要更多廉价易得、使用效果好和绿色环保的非金属矿物材料。


文章来源:

胡春联.几种矿物材料对水体污染物吸附特性的研究

田维亮等.蛭石功能材料研究进展

刘猛等.蛭石功能化应用研究新进展

朱红龙等.多孔矿物在废水处理中的应用


(中国粉体网编辑整理/茜茜)

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