海泡石是一種富鎂纖維狀硅酸鹽黏土礦物,屬斜方晶系,按形態可分為α-海泡石和β-海泡石,其中α-海泡石纖維由大束纖維狀晶體聚集而成,β-海泡石由細短的纖維狀晶體聚集形成。
化學式:Mg8Si12O30(OH)4(OH2)4·8H2O
伴生礦物:常與凹凸棒石、蒙脫石、滑石等共生。
顏色:呈白色、灰色、綠白色、黃色、藍色、藍綠色或紅色,具絲絹光澤,有時呈蠟狀光澤。
集合體形態:常成軟性致密的白土狀或黏土狀,有時呈纖維狀。
密度:1-2.2g/cm3。
莫氏硬度:2-2.5。
特點:收縮率低、可塑性好;在400℃以下結構穩定,400-800℃脫水為無水海泡石,800℃以上才開始轉化為頑火輝石和α-方英石;耐高溫性能可達1500-1700℃;具有特殊的孔道結構,因而比表面積和孔體積很大,外比表面積為350m2/g,內比表面積為500 m2/g,故具有很強的吸附性、離子交換性和脫色性能。
海泡石價格低廉、儲量豐富,作為一種優質價廉的吸附劑具有廣闊的發展前景,在環保領域可用來處理各種工業、生活污水,吸附除去各種有機和無機污染物等。下面就簡單介紹一下海泡石在處理有機染料、含油廢水、養殖廢水、鋁材切削液廢水、垃圾滲濾液、腐殖酸、氨氮、微囊藻、果糖、雙酚A、丙酮、甲苯、氯苯、六氯丁二烯、苯乙烯、萘、菲、十溴聯苯醚、氯草敏、苯噻酰草胺、有機磷、阿特拉津等有機污染物方面的應用及其最新研究進展。
1、海泡石在有機染料處理中的應用
(1)陽離子有機染料
造紙和印染等工業排放的廢水中因含有大量的有機染料(常帶有苯環或荼環),因此其廢水具有毒性強、色度大、難降解等特點,不僅對環境造成污染,還對人和生物體有致畸、致癌和致突變性的危害,必須進行處理。
最新研究進展:
李方文等采用硫酸改性的海泡石處理印染廢水,COD去除率達80%以上,SS去除率和脫色率可達90%以上,除pH之外的出水水質均能達標。
邢新艷等以天然海泡石和蔗糖為原料,利用水熱碳化法制備出海泡石/C復合吸附劑,復合吸附劑對初始濃度為50mg/L的亞甲基藍的去除率為97.2%,高于單純海泡石對亞甲基藍的去除率83.1%,且復合吸附劑對亞甲基藍的吸附為外表面單層吸附。
馬玉書等針對顆粒細小的海泡石作為吸附劑很難與作用體系分離的問題,以酸改性海泡石為載體,利用共沉淀法制備出對亞甲基藍具有良好吸附性能的磁性海泡石,磁核Fe3O4以靜電力固載于海泡石纖維表面,該磁性海泡石的回收率可達98.6%。
唐愛東等以海泡石為載體,采用液相法制備出Cu2O/海泡石催化劑,該催化劑對甲基橙的脫色率為86%,而單純Cu2O對甲基橙的脫色率僅為58%。海泡石可以促進Cu2O的分散,有效阻止了Cu2O顆粒的生長,起到了分散和穩定Cu2O顆粒的作用。
李計元等以十六烷基三甲基溴化錢(CTAB)改性的海泡石吸附甲基橙,指出有機改性的海泡石比原礦和酸活化海泡石的吸附能力好,吸附量是原礦的2倍。
Eren等研究指出海泡石經氧化錳改性后對結晶紫的吸附容量達319mg/g,吸附能力比改性前提高4倍。
何明乙等利用水解沉淀法在海泡石上負載BiOCl,海泡石-花球狀BiOCl納米復合材料可實現羅丹明B的完全降解,海泡石將BiOCl的光催化效果提高了14.29%-16.67%。
許鵬鵬以十二烷基磺酸鈉對海泡石進行改性,改性海泡石對25mg/L的羅丹明B的去除率達92%,對羅丹明B的最大吸附量為24.91mg/g,且該吸附劑具有良好的可循環利用性。
王喜全等采用HNO3、HCL和CH3COOH分別對海泡石進行改性,采用硝酸改性的海泡石處理直接桃紅12B模擬染料廢水的效果最佳,色度和COD去除率分別為83.45%和73.99%。李桂水等采用化學沉淀法制備出海泡石負載Bi2O3光催化劑,該光催化劑對初始濃度為50mg/L的孔雀石綠的降解率達95.7%,且重復使用3次后仍有較高的光催化活性,對孔雀石綠的降解率仍可達85.6%。
張麗蓉則采用陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)對海泡石進行改性,改性后的海泡石對100mg/L的孔雀石綠染液的脫色率高達98%、吸附量達98.5mg/g,吸附能力與粉末活性炭不相上下,且其經4次HCl處理再生后仍具有較好的吸附性能。改性可提高海泡石吸附性能的主要原因是SDBS進入海泡石的層間,擴大了層間距,改善了原礦表面的疏水性。
Alkan等指出海泡石對麥西隆藍SG具有很好的吸附效果,吸附動力學符合準二級反應動力學方程。
Tekin等發現海泡石對堿性黃28的飽和吸附量為31.54mg/g 。
Tekbas等采用海泡石吸附黃色7GL染料,發現海泡石對這種阿斯屈拉松類型染料的飽和吸附量為62.5-88.5mg/g。
馮金研究指出經高溫氧氣流改性的海泡石對250mg/L的堿性嫩黃O染料的單位質量吸附量可達239.35mg/g。
宿程遠等制備的改性海泡石負載納米鐵材料對直接耐曬黑的去除率可達98.9%,比僅用改性海泡石的去除率提高了35.7%。
(2)陰離子染料
海泡石經過改性后,不但對陽離子染料具有較好的吸附性能,也能對以陰離子有機染料為主的廢水具有較高的去除率和脫色率。
最新研究進展:
楊勝科等以十六烷基三甲基溴化銨改性的海泡石吸附曙紅Y,發現改性后海泡石的纖維更加蓬松,孔隙度變大,對曙紅Y的吸附率高達100%,吸附機理主要是物理靜電吸附。
顏靖采用CTAB對海泡石進行改性,CTAB可與海泡石表面發生化學鍵合或嵌合在海泡石孔隙中,對海泡石具有良好的修飾作用。改性后的海泡石對酸性品紅的平衡吸附量為83.68mg/g吸附為單分子層的物理吸附。
朱詩瑩以經硝酸改性的海泡石為載體,以鈦酸丁酯為鈦源,利用溶膠凝膠法制備TiO2/海泡石光催化劑,復合催化劑對酸性紅B模擬染料溶液的色度和COD的去除率分別為95.73%和87.62%,且催化劑反復回收利用5次后,對酸性紅B溶液的色度和COD的去除率仍分別可達55.13%和51.26%。
Du等以具有較大比表面積和介孔結構的Ag2O-TiO2/海泡石復合光催化劑處理酸性紅G模擬廢水,酸性紅G的降解率為98%。
宿程遠等以α-型海泡石為載體制備出雙金屬多相類芬頓催化劑,該催化劑對活性艷藍的去除率為82.12%。
謝治民等采用Fe-海泡石和Al-海泡石復合吸附劑分別吸附活性艷藍,發現吸附是物理與化學共同作用的結果,不是單純的單分子層吸附,Fe-海泡石具有更仕的吸附效果。高溫焙燒能實現Fe-海泡石復合吸附劑的高效再生,經高溫焙燒再生8次后的脫色率仍然為73%。
Bingo采用海泡石處理含亮黃染料廢水,取得了較好的效果。
2、海泡石在含油廢水處理中的應用
含油廢水是石油開采與煉制、機械加工和食品加工等行業產生的廢水,吸附法處理含油廢水的原理是利用親油材料的多孔性和大的比表面積,將廢水中的溶解油和其它溶解性有機物進行表面吸附,從而實現油水分離。
最新研究進展:
為了解決天然海泡石由于表面酸性小和通道窄導致的處理含油廢水效果不佳的問題,林鑫等對海泡石進行熱活化后再用于處理含油廢水,結果表明海泡石經400℃熱活化后,比表面積由247.797m2/g增加到305.849m2/g,改性后的海泡石對模擬含油廢水COD的去除率最高可達94.98%。
王月采用制備的海泡石顆粒吸附劑處理某機械加工廠COD為170.98mg/L、油含量為72.17 mg/L的實際含油廢水,COD和油的去除率分別為92.33%和82.57%,處理后實際廢水中油含量為12.45 mg/L,達到污水排放標準。該顆粒吸附劑容易再生,重復使用3次后,COD去除率仍可達77.69%。
3、海泡石在養殖廢水處理中的應用
養殖廢水是一種成分復雜的高氨氮、高負荷有機廢水,如不進行處理后排放,會影響環境,進而影響人體健康?,F用的厭氧生物處理工藝多是針對有機物的去除,而廢水中高濃度的氨氮會使厭氧微生物的活動受到抑制。
最新研究進展:
宿程遠等研究了投加海泡石對厭氧技術處理養殖廢水效能的影響,指出海泡石的引入對廢水中COD的去除效果不十分明顯,平均去除率僅提高10.1%;而對氨氮的去除效果較為明顯,平均去除率提高到44.2%。同時,海泡石的投加還能減少厭氧顆粒污泥溶解性微生物產物中的大分子有機物。
4、海泡石在鋁材切削液廢水處理中的應用
鋁材切削液廢水中含有脂肪油、脂肪酸、脂類、高級醇類等有機物,需進行處理后再排放。利用傳統的Fenton反應雖然處理難降解有機物時具有較好的效果,但反應需在酸性條件下進行。
最新研究進展:
嚴松等以硝酸熱改性的海泡石為載體,利用浸漬-共沉淀法負載CuO、MnO制備出中性條件下催化H2O2氧化催化劑,結果表明:在中性條件下,催化劑對鋁材切削液廢水的COD去除率為88%,并且催化劑具有良好的穩定性和重復使用性。該催化劑連續使用5次后,催化活性沒有明顯變化。廢水經該催化劑處理后,可生化性得到明顯提高。
5、海泡石在垃圾滲濾液處理中的應用
城市垃圾堆放產生的滲濾液中含有高COD,氨氮濃度較高,成分復雜,其有機物主要是由大分子的水溶性腐殖質、中等分子的灰黃霉酸類物質和小分子的揮發性有機酸、水溶性腐殖質組成,如果處理不當會危害人類健康。
最新研究進展:
許朋朋等制備了以海泡石為載體的負載TiO2吸附劑,TiO2/海泡石吸附劑投加到稀釋至COD為437.2mg/L的垃圾滲濾液中,TOC降解率為65.47%,COD降解率為55.56%。
王振宇等制備了以海泡石為載體的負載聚乙烯吡咯烷酮/海泡石吸附劑,指出改性后的海泡石可以充分吸收垃圾滲濾液中的物質,TOC單位降解量為10.04mg/g,COD降解率為59.22%。
吸附是從表面開始,速率較快,然后進行內部吸附,速率較慢。
6、海泡石在腐殖酸處理中的應用
地表水和地下水中的天然有機物是飲用水處理的主要對象之一,而腐殖酸(HA)是天然水體中有機物質的主要成分,占水中總有機物的50%-90%,已經成為飲用水水源有機微污染控制的重點對象。
最新研究進展:
陳衛等采用一步原位共沉淀法制備了磁改性海泡石,指出磁性顆粒Fe3O4負載到海泡石表面及結構中后,海泡石纖維的表面粗糙度提升,比表面積由2.909m2/g增加到25.354m2/g,25℃和35℃條件下對HA的理論最大吸附量分別為42.76mg/g和39.45mg/g,大于凹凸棒土對HA的最大吸附量12mg/g。最佳條件下,磁改性海泡石對HA的去除率可達78.4%,經7次脫附再生循環使用后,對HA的去除率仍可達71%。磁改性海泡石對HA的吸附為單分子層吸附,吸附機理主要為范德華力、氫鍵和靜電引力。
7、海泡石在氨氮處理中的應用
水中的氨氮(NH4+-N)可轉化為亞硝酸鹽,如果長期飲用,對人體健康不利,水中氨氮含量過高時也會導致魚類死亡。
最新研究進展:
Balci等研究表明海泡石對含氮有機物中NH4+的吸附為3.5mmol/g,去除率達90%,其中60%的氮被轉化為無毒物質。
顏酉斌等采用酸化法對海泡石進行改性,再將改性海泡石作為人工濕地的填料,研究了其對生活污水中的氨氮去除效果,發現以海泡石為填料的人工濕地的出水氨氮濃度為1.8mg/L,而沙填料池中出水濃度為10mg/L,含海泡石的濕地對氨氮的去除率為85%。
代娟等以鹽熱和稀土LaCl3摻雜對海泡石進行復合改性,復合改性海泡石對氨氮濃度為9.04mg/L的污水處理站二級生化出水中氨氮的去除率為72.23%,處理后廢水中氨氮濃度為2.51mg/L,達到城鎮污水處理廠污染物排放標準中規定的氨氮<5mg/L。
張林棟等將海泡石純化后,再進行水熱活化、酸活化和鈉離子交換改性,改性后的海泡石對氨氮的最大吸附量可達28mg/g,且海泡石在600℃以下具有很好的熱穩定性,因此海泡石用于氨氮廢水的處理極具開發價值。
8、海泡石在微囊藻處理中的應用
水體富營養化是目前面臨的環境問題之一,其造成的“赤潮”和“水華”現象時有發生。藻類在代謝過程中或藻體破裂后釋放的藻毒素會對水生生物、家畜、野生動物、微生物和某些植物等產生毒害作用。
最新研究進展:
駱靈喜等采用殼聚糖改性海泡石作為絮凝劑,并通過低強度超聲波強化絮凝去除微囊藻,指出殼聚糖改性海泡石的最佳投加量為20mg/L。
李凱等比較了海泡石、膨潤土、高嶺土、蒙脫土和凹凸棒對銅綠微囊藻的去除效果,指出單獨投加黏土礦物時,海泡石的除藻效果最為顯著。采用殼聚糖對海泡石進行改性,可進一步提升其除藻效果,當殼聚糖與海泡石的質量比為1:8時,濁度的去除效果最佳,可達9.4%。殼聚糖-海泡石復合體除藻劑的pH使用范圍廣,且效率高、經濟適用、除藻效果明顯,可在一定程度上防止藻華的再次爆發。
9、海泡石在果糖處理中的應用
果糖是一種天然營養型甜味劑,可預防糖尿病和肥胖癥等,被廣泛應用于食品和醫藥等行業。生產果糖排放的廢水中含有大量果糖,工業上通常將廢水經環保處理合格后直接排放掉,造成了果糖的大量浪費。
最新研究進展:
伍明等研究了海泡石對果糖的吸附性能,并與活性炭進行了對比,發現0.3g的海泡石對50mL的0.1mg/mL標準液中果糖的去除率接近100%,而活性炭則需要2.4g才能達到對果糖的最大吸附量,且去除率僅有海泡石的一半。吸附于海泡石上的果糖可進行解吸回收,也可直接應用于飼料或醫藥行業。
10、海泡石在雙酚A處理中的應用
雙酚A是用來制造環氧樹脂和聚碳酸醋塑料的原料,進入水體后會對環境造成嚴重污染,長期暴露會對人體造成生育能力下降或肥胖等不良后果,同時雙酚A還是一種典型內分泌十擾物。
最新研究進展:
楊欣潔等先對天然海泡石負磁制得磁性海泡石,再用CTAB對磁性海泡石進行有機改性,制備出磁性復合有機改性海泡石。改性海泡石對30mg/L的雙酚A的吸附量為25.98mg/g,去除率為86.41%,吸附后經NaOH再生,對雙酚A的去除率仍可達57.94%。改性海泡石對雙酚A的吸附以離子交換為主,結合分配作用和靜電引力作用。
Liu等以海泡石為催化劑載體,制備了一種非均相等離子體光催化劑Ag/AgCl/鐵-海泡石催化劑,該催化劑降解雙酚A的效果優于Ag/AgCl和Fe-海泡石,雙酚A基本被完全降解。
11、海泡石在丙酮處理中的應用
丙酮廣泛應用于制藥行業,具有易揮發、難降解的特點,傳統的吸收法因吸收劑飽和時間過短導致吸收效果不佳。
最新研究進展:
韓靜等以HCl對海泡石進行改性,改性海泡石對丙酮的吸附量達54.41mg/g,而海泡石精礦的吸附量僅為7.39mg/g,吸附效果還優于HNO3、H2SO4改性和水熱改性的海泡石。該法對丙酮的吸附,尤其是高濃度丙酮的吸附具有顯著效果,為丙酮污染的治理提出了新路線。
12、海泡石在甲苯處理中的應用
甲苯是一種低毒、易揮發有機物,可對空氣、水源造成污染。
最新研究進展:
梁偉朝以HCl對海泡石進行改性,改性后海泡石的總孔容由原礦的0.0140cm3/g增大到0.2103cm3/g,并且海泡石對甲苯的吸附率隨著海泡石總孔容的增大而增大,海泡石吸附甲苯的吸附量可達36.92mg/g,吸附是物理吸附為主的單分子層吸附。
張鵬通過在改性海泡石上負載銅錳,使銅錳/海泡石催化劑在245-270℃下對甲苯的降解率達到50%,在290-300℃時實現完全催化降解。在此基礎上,繼續在活性組分中摻雜適量的鈰,可進一步提高催化劑的活性。
13、海泡石在氯苯處理中的應用
氯苯具有毒性大、污染面廣、難生物降解等特點,含氯苯廢水是一種難處理廢水。
顏酉斌等采用先酸改性再熱改性的方法對海泡石進行改性,改性海泡石對50mg/L氯苯的去除率為80%,吸附為表面不均勻吸附。
14、海泡石在六氯丁二烯處理中的應用
六氯丁二烯等鹵代烴類污染物是地下水中主要的有機污染物之一,具有較強的毒性和致癌性。納米鐵催化劑雖可有效地去除六氯丁二烯,但納米鐵由于自身的高活性、易團聚、空氣中穩定性差、水中分散性差等特點,使其應用受到限制。
劉玉茹等以海泡石作為納米鐵催化劑的載體,在防止納米鐵顆粒團聚的同時,還能與其產生協同催化作用。研究指出海泡石負載型納米鐵對六氯丁二烯的去除率可達95%,且酸性環境下的去除效果最好,中性環境次之,堿性環境最差。
15、海泡石在苯乙烯處理中的應用
苯乙烯是一種毒性較強的化學危險品,對人體和生物具有慢性毒性和致癌性,是我國惡臭污染控制的八大受控物之一。
楊斌彬采用先水熱后鹽酸改性的方法對海泡石進行改性,改性后海泡石的比表面積為86.661m2/g,對苯乙烯的飽和吸附量達132mg/g,升溫不利于吸附。苯乙烯在改性海泡石上的脫附活化能最大為27.419kJ/mol,脫附活化能越大則改性海泡石與苯乙烯之間的相互作用就越大,說明苯乙烯從改性海泡石上脫附所需要的能量就越大,越不易脫附。
16、海泡石在萘處理中的應用
萘是一種稠環芳香烴,有毒,可致癌。Ozcan等采用十二烷基三甲基溴化銨改性海泡石,改性海泡石對萘的飽和吸附量為24.09mg/g,吸附為物理吸附。
17、海泡石在菲處理中的應用
菲是一種多環芳烴,微毒,對動物有致癌作用。穆森以季銨鹽型雙子表面活性劑對海泡石進行改性,改性海泡石對菲的去除率為90%以上,pH值和溫度會對吸附產生明顯影響。該項研究可為海泡石處理含有多環芳烴類污染物的廢水提供理論依據。
18、海泡石在十溴聯苯醚處理中的應用
十溴聯苯醚是一種具有難降解和生物蓄積性特點的污染物。母娜以HCL改性的海泡石為載體,制備的海泡石負載型納米零價鐵對水中十溴聯苯醚的去除率幾乎為100%,而對土壤中十溴聯苯醚的去除率較低,為29.44%,這是由于土壤有機質降低了十溴聯苯醚由土壤相遷移到海泡石相的速率導致的。利用海泡石去除土壤中的十溴聯苯醚還有待進一步研究。
19、海泡石在氯草敏處理中的應用
氯草敏是一種除草劑,噴灑后可被雜草幼芽和根系吸收,輸導到莖、葉,從而使雜草死亡。Gonzalez-Pradas等研究了利用海泡石去除水中的氯草敏,指出海泡石經600℃焙燒改性后比原礦具有更大的吸附容量,改性海泡石對水中氯草敏的去除率為60.9%。
20、海泡石在苯噻酰草胺處理中的應用
苯噻酰草胺是一種酰胺類除草劑,可降解轉換成致癌的二烷基醒亞胺,對水生生物有劇毒。彭小悅等以海泡石吸附苯噻酰草胺,指出吸附不僅發生在表面層,還進入到內層,且產生了鍵合,苯噻酰草胺通過氫鍵、電荷轉移、電荷-偶極鍵形式吸附在海泡石中,海泡石對苯噻酰草胺的吸附容量大于凹凸棒石的。
21、海泡石在有機磷處理中的應用
乙酰甲胺磷是一種有機磷殺蟲劑,被用于蔬菜、水稻、小麥、果樹等作物,可對水域和土壤造成污染。王欣等利用微波輔助溶膠凝膠法制備出海泡石/TiO2復合催化劑,該催化劑對乙酰甲胺磷的光催化降解率可達19.6%。
22、海泡石在阿特拉津處理中的應用
阿特拉津是一種除草劑,易被雨水淋洗至地下水或地表水中,長期飲用含有高濃度阿特拉津的水會對動物或人體造成損害。Liu等以化學共沉淀法制備出Fe3O4/海泡石磁性復合材料,由于Fe3O4的負載,海泡石的比表面積由70.92m2/g增加到112.44m2/g,復合材料對水中阿特拉津的吸附容量為15.9g/m2。
綜上所述,海泡石或改性海泡石可用于處理有機染料、含油廢水、養殖廢水、鋁材切削液廢水、垃圾滲濾液、腐殖酸、氨氮、微囊藻、果糖、雙酚A、丙酮、甲苯、氯苯、六氯丁二烯、苯乙烯、萘、菲、十溴聯苯醚、氯草敏、苯噻酰草胺、有機磷、阿特拉津等有機物,對大部分有機物具有較好的吸附效果,可對環保事業起到的巨大推動作用,但對某些有機物的吸附性能還有待提高。
來源:海泡石及改性海泡石在水污染治理中的研究與應用進展,作者:張巍
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