凹凸棒对盐碱水的处理研究

黄小鸿,杨豆豆

(陇南师范高等专科学校 农林技术学院,甘肃 陇南 742500)

盐碱地是较普遍存在的土壤类型之一,是土地资源中的重要组成部分,世界性的资源和生态问题之一.我国地大物博,但是人口数量巨大,人均耕地面积少,盐碱地的改良与治理对于我国这样一个农业大国来说意义重大,盐碱性水质不利植物生长,所以盐碱地的改良与治理也必然成了农业、牧业、林业领域一个极其重要的研究内容,我国生态建设与实现全面协调可持续发展的当务之急是如何更好地治理盐碱地和植物利用盐碱地[1-2].这是现在和未来科研人员关注的重点问题.

1860年,俄罗斯学者萨夫钦科夫(Tsavtchenkov)在乌拉尔坡缕缟斯克(Palygorsk)矿区的热液蚀变带中首次发现了一种矿物,以及中国学者许冀泉 1976 年在中国的江苏省六合区竹镇小盘山也发现了该矿物(凹凸棒土)[3].该矿物为一种层链状结构的含水富镁铝的硅酸盐粘土矿物[4-6].

江娜等[8]制备一种复合凹凸棒盐碱地微环境改良剂,是由凹凸棒土、有机高分子、磷石膏和风化煤等制备而成的纳米复合物.通过离子交换、钝化和酸碱调节等作用来改善作物根系附近微环境的盐碱土,降盐压碱,促进作物生长,提高作物耐盐碱性.李蕾等[9]将污泥与盐碱地土壤进行了复配,对好氧堆肥污泥添加量为10%、20%、30%的复配土壤的电导率进行优化实验,结果表明当向这三种复配土中加入凹凸棒粉有降低复配土壤电导率的作用,凹凸棒粉的添加量为5%时效果最好.

本文中研究了纳米凹凸棒土与石英石混合后在一定比例下对盐碱水进行处理,当凹凸棒与石英石的质量比为20∶3时与其他质量比的样品比较有更高的性价比，此时达到最佳的降盐降碱效果.

1 实验

1.1 实验材料

1.1.1 原料与试剂

X400型凹凸棒土(常州鼎邦矿产品科技);RJHB-1型石英石(巩义市润佳净水材料销售有限公司);碳酸氢钠(分析纯,天津市河东区红岩试剂厂).

1.1.2 实验仪器

AE100S型分析天平(上海精密科学仪器有限公司);DHG-9240A型电热恒温鼓风干燥箱(上海精密科学仪器有限公司);TCL-16K型离心机(上海精密科学仪器有限公司);DDS-307型电导仪(上海精密科学仪器有限公司);FE-20K型pH计(上海精密科学仪器有限公司);IS1型傅立叶变换红外光谱仪(日本Shimadzu岛津公司).

1.2 水处理凹凸棒的制备

水处理凹凸棒是由凹凸棒土和120目的石英石按照一定的质量比混合而成.其具体制备过程如下:

(i)将石英砂在120 ℃烘箱内烘干3 h备用;

(ii)实验系统如下.将凹凸棒土和石英石按照不同质量比混合成多个组分,其中石英石质量不变,为20 g,凹凸棒添加量分别为0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 g,记为CK、T05、T10、T15、T20、T25、T30、T35.

1.3 组成性能表征

在进行凹凸棒的降盐降碱性能研究之前,首先有必要对其结构和性质进行介绍.本文通过傅氏转换红外线光谱仪(FTIR)测试方法,对凹凸棒进行了基本的化学组成性能表征.

1.4 性能研究

首先将干净的50 mL离心管底部扎一个直径约2 mm的孔(先在底部少量垫上一些脱脂棉,防止凹凸棒混合物从小孔漏到烧杯中,影响试验各项数值,凹凸棒混合物上面再覆一层薄脱脂棉,隔离盐碱水和混合物);然后将20 g干的石英砂和一定比例凹凸棒混合均匀加入该离心管中(石英石混合凹凸棒可以使混合物更疏松,便于盐碱水渗透);接下来将整个离心管竖直固定在铁架台上,用固定在上端的滴液漏斗滴加0.1 mol·L的碳酸氢钠30 mL.这里用碳酸氢钠水溶液模拟盐碱水;离心管下方用小烧杯接凹凸棒处理后的盐碱水,0.5 h后离心管中的液体基本滴完;最后测此烧杯中清液的电导率和pH值.平行实验三次.

2 结果与讨论

2.1 红外谱图分析

图1 凹凸棒红外吸收光谱图

由图1可知当波函数为400 cm-1左右的吸收峰为Si-O的对称吸收峰,当波函数为1000 cm-1左右的吸收峰为Si-O-S的反对称吸收峰,波函数为3400 cm-1左右的吸收峰为O-H的弯曲震动峰.凹凸棒在水相中能通过氢键、范德华力和粘滞力等进行弱相互作用[10].凹凸棒和其他离子的这种相互作用,能够使水相的离子含量和碱性有所降低.

2.2 凹凸棒处理过后盐碱水的电导率和pH值规律

处理后盐碱水的电导率和pH值如图2和图3.由图2可知随着凹凸棒添加量的增加,被凹凸棒处理后盐碱水的pH值随之减小.当添加量为3.0 g后pH值降低幅度很小,基本保持不变.

图2 盐碱水的pH值

由图3可知,随着凹凸棒添加量的增加,凹凸棒处理后的盐碱水的电导率值下降,添加量达到3.0 g以后电导率值下降幅度很小,基本保持不变.

图3 盐碱水的电导率值

表1 盐碱水的电导率值和pH值

由表1可知凹凸棒处理后的盐碱水电导率和pH值随着凹凸棒添加量的增加而减小,这与凹凸棒的吸附量有关,凹凸棒特有的结构使它具有吸附和离子交换作用,可吸附多种阴、阳离子,使盐碱水中的离子数目下降,从而达到离子含量和碱性降低.当凹凸棒的添加量增加达到一定量后,吸附等作用也基本达到饱和,电导率和pH值随凹凸棒添加量而降低的程度很小,电导率和pH值基本不变.因此,处理盐碱水时,此型号的凹凸棒的理论最佳添加量为石英石∶凹凸棒=20∶3,再增加凹凸棒的添加量,对理化性质改变不大,反而造成成本的浪费.

2.3 凹凸棒对盐碱水的降盐率

降盐率用以下方法得到,CK与凹凸棒添加量不同时处理后盐碱水的电导率的差值,与CK之比得到降盐率

(1)

(1)式中△i为CK与不同质量凹凸棒添加量处理后盐碱水电导率的差值.

由图4可知,△i越大降盐率越大，即,凹凸棒的添加量越大时，处理后盐碱水的电导率越小，盐碱水中离子越少,证明了增加凹凸棒添加量,可以达到使盐碱水的离子含量减少降盐碱的目的,当凹凸棒添加量达到3.0 g时效果最好，再添加凹凸棒质量降盐率基本保持不变.

图4 降盐率随的变化规律

从表2可知,本文中得到此试验装置处理盐碱水的凹凸棒的最佳添加量为3.0 g,此时得到降盐率结果为21.92%.

表2 不同质量比处理后盐碱水与空白样电导率差值和降盐率

3 结论

一款型号为X400的凹凸棒与石英石混合,考察了此型号凹凸棒对盐碱水的降盐碱效果.设计了一套凹凸棒水处理盐碱水试验装置,发现用凹凸棒处理盐碱水,确有降盐碱效果;处理后盐碱水的电导率由未添加凹凸棒的6160 us·cm-1下降到凹凸棒添加量为3.0 g时的4810 us·cm-1,凹凸棒处理后的盐碱水的pH值由未添加凹凸棒时的8.93下降到添加量为3.0 g时的8.22.石英石和凹凸棒的质量比为20∶3时为最佳添加量.再增加凹凸棒质量,电导率值和pH值变化不明显,此最佳添加量时的降盐碱率为21.92%.