膨润土多孔材料用于净化湖泊水的研究

郑玉琴，刘 枫

（中国非金属矿工业有限公司，北京 100142）

1 概述

近年来，随着全球城市化的不断发展，水污染问题已经成为倍受世人关注的环境问题之一。而水体中较高浓度的COD、氨氮、总磷对环境危害较大，并且氨氮会随着时间的延长在水体中浓度迅速增加，如何高效、低成本去除水体环境中的COD、氨氮、总磷，一直是这方面科研工作者致力研究的方向[1-2]。研究结果表明：当湖泊水体中的氮含量超过(0.2～0.3)×10-6，磷含量大于(0.01～0.02)×10-6就可以引起水体的恶化，促使水体富营养化的加剧，因此对氨氮和磷的废水处理，具有重要的现实意义[3]。

近年来，多种水处理技术得到应用，主要有生物法、化学氧化法、结晶化法、三级过滤法和吸附等。因生物法对氨氮和磷的去除率低，且需结合其他工艺，应用受到限制；化学氧化法对难降解的有机物具有选择性，且成本高，不适合处理大面积的城镇污水[4]。研究表明，吸附法是废水处理技术中最有效的物化方法之一，因此利用吸附法去除COD、氨氮、总磷得到越来越多的关注。

膨润土是以蒙脱石为主的粘土岩，具有良好的吸附性能和阳离子交换能力，这种特性为其在污水处理方面的应用奠定了基础。早在20世纪30年代，膨润土已开始用于水质净化和废水处理。近年来，国内外专家在采用膨润土处理废水方面做了大量的研究，也取得了一定的进展，主要用作絮凝剂和吸附剂。

针对现有膨润土吸附剂所存在的吸附低浓度COD、氨氮、总磷效果不佳，难以工程化实施等问题，笔者开发出一种新型膨润土多孔材料，并围绕膨润土多孔材料进行了一系列的科研试验。通过使用天然钙基膨润土为主要原料，在与分散剂、无机发泡剂、稳泡剂、表面活性剂以及固化剂之间相互作用下，再通过塑形、干燥制成具有一定强度的、轻质膨润土多孔材料[5]。

2 多孔材料的制备方法

2.1 原材料

原材料取自湖北鄂州某地区的天然钙基膨润土，分别对此地点的膨润土原矿进行化学成分分析，结果为(%)：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。其他化学药剂均采用工业级药品。

为明确膨润土的主要矿物组成，对样品原矿进行了X-射线衍射分析，如图1所示。

X-射线衍射分析结果表明，样品的主要矿物为蒙脱石和石英。此外，从蒙脱石d (001)值的大小来看，该原矿为钙基膨润土，蒙脱石的特征峰d (001)值为14.7399nm。

图1 湖北某地钙基膨润土XRD衍射图谱

2.2 制备方法

因膨润土本身具有较强的吸附性，将其制成多孔材料后，又赋予其较高的比表面积或孔体积，使其具有较高的吸附量。膨润土多孔材料的制备采用发泡技术，使用十二烷基硫酸钠和碳酸钙作为发泡剂，在其他药剂的辅助下，制成具有狭窄的孔径分布和一定强度可控微米膨润土多孔材料。

以湖北钙基膨润土为原料，加入水制成浆液，再加入0.2%六偏磷酸钠作为分散剂，将浆液充分搅拌后，加入十二烷基硫酸钠或碳酸钙进行发泡，采用机械搅拌的方式充分发泡，并将泡沫和膨润土充分混合，再加入羧甲基纤维素钠作为稳泡剂，以提高孔隙的强度，使之不易破裂，然后将混合好的浆料倒入模具中，在马弗炉中进行烧结，烧结的温度为200～400℃，制得气孔率为30%～45%、单孔孔径为20～60μm的膨润土多孔材料。其制备流程见图2。

图2 膨润土多孔材料制备工艺流程

3 试验结果和讨论

3.1 试验原料

试验原料为上述所制膨润土多孔材料；水体取自湖北某湖泊水，设立三个取水点，定期取水；药剂包括COD试剂、总磷指示试剂、氨氮指示试剂。

3.2 试验仪器

多参数水质分析仪、恒温消解器、移液管、烧杯、注射器、量筒、精密天平等。

3.3 膨润土多孔材料对湖泊水的吸附性能研究

3.3.1 吸附试验

在烧杯中放入一定体积的湖泊水(取自湖北某地)，取相同量的膨润土多孔材料，使之从水面逐渐沉入水底，静置1h，使悬浮颗粒充分分离，最后取上清液，利用多参数水质分析仪和恒温消解器分别对其COD、总磷、氨氮进行测定。

用移液管分别移取蒸馏水和被测样品各2mL至两支消解管中，加入两种COD试剂各1mL、3mL。在150℃的恒温消解管中，加热消解15min，取出放置室温后，用水质分析仪测定。

用移液管分别移取蒸馏水和被测样品各5mL至两支消解管中，加入总磷试剂0.8mL，在120℃的恒温消解管中，加热消解30min，取出放置室温后，分别加入两种总磷指示试剂各0.2mL、0.4mL，然后用水质分析仪测定。

先取10mL待测样品至于比色瓶中，进行空白试验，然后加入氨氮试剂0.2mL，旋紧比色瓶摇匀，再加入氨氮试剂1支，擦净比色瓶外壁，放入比色瓶槽中锁定比色瓶，静置显色10min，测定的数据即为被测样品中氨氮的浓度。

指标测定结果详见表2。

表2 膨润土多孔材料对水体污染物的吸附效果

3.3.2 用量对吸附效果的影响

根据以往试验的经验，先假定吸附时间为1h，厚度为3mm，分别取12、14、16、18g/L用量的膨润土多孔材料对上述水体进行吸附试验，结果见表3。

表3 膨润土多孔材料不同用量对吸附效果的影响

表3结果表明，随着膨润土多孔材料用量的增加，水体中的COD、总磷、氨氮的吸附量增大，相同时间的吸附效率高；另外，当膨润土多孔材料的用量等于16g/L时其吸附率分别达到35%、80%、61%；当膨润土多孔材料的用量大于16g/L时，其吸附率增加趋于缓慢。

3.3.3 吸附时间对吸附效果的影响

选定膨润土多孔材料的用量为16g/L，厚度为3mm，吸附时间分别取40、50、60、70min，对上述水体进行吸附试验，结果见表4。

表4 膨润土多孔材料不同吸附时间对吸附效果的影响

表4结果表明，膨润土多孔材料用量和厚度一定，随着吸附时间的延长，水体中的COD、总磷、氨氮的吸附率逐渐增大；另外，当吸附时间等于70min时，其吸附率分别达到39%、78%、61%；当膨润土多孔材料的吸附时间大于60min时，其吸附率增加趋于缓慢。

3.3.4 厚度对吸附效果的影响

膨润土多孔材料的厚度对水体中的COD、总磷、氨氮的吸收有很大的影响。选定膨润土多孔材料的用量为16g/L，吸附时间为70min，分别取1、2、3、4mm厚度的膨润土多孔材料对上述水体进行吸附试验，结果见表5。

表5 膨润土多孔材料不同厚度对吸附效果的影响

表5结果表明，膨润土多孔材料的厚度对水体中COD、总磷、氨氮的吸收起了很大的作用，膨润土多孔材料的厚度1～3mm时的吸附率每一级呈跳跃式增长，效果显著；大于3mm后，膨润土多孔材料的厚度对水体的吸附率的增长幅度有所降低，但依然呈缓慢增长。

综上可知，当膨润土多孔材料的用量为16g/L、厚度为3mm、吸附时间为60min时，对湖泊水体中的COD、总磷、氨氮的去除率显著，能够从一定程度上解决水体富营养化的问题。

4 结语

综上所述，膨润土是一种天然的吸附剂，膨润土多孔材料对湖泊水体中的COD、总磷、氨氮的去除率显著，能够达到解决水体富营养化的目的。用膨润土制备多孔材料，具有以下诸多优点：①原料储量丰富、价廉易得；②制备方法简便；③可有效去除水体中COD、总磷、氨氮；④具有较高的化学稳定性和生物稳定性且容易再生。

膨润土多孔材料将是取代传统湖泊水处理材料的一个理想选择，将得到广泛应用。我国膨润土资源十分丰富，因此，应用天然钙基膨润土开发湖泊水处理新材料是解决中国水污染问题的一条可行之路。

[1]张素芳,蒋白懿,李亚峰.膨润土的改性对水中氨氮和磷的去除效果研究[J].辽宁化工,2011,40(11):1115-1120.

[2]彭先佳,袁继祖,曹明礼.改性膨润土在废水处理中的应用[J].中国非金属矿工业导刊,2000(5):40-41.

[3]谢爱军,周炜,年跃刚,等.人工湿地技术及其在富营养化湖泊污染控制中的应用[J].净水技术,2005,24(6):49-52.

[4]李秋红,孙秀田.浅谈中小城镇污水处理[J].科技信息,2011(23):70-71.

[5]赵东元,朱海峰,金碧辉.多孔材料[J].中国基础科学,2005(3):19-21.