改性膨润土处理污染物的研究

柴 宽，何海杰，赵俭斌，邱战洪，洪 杰

（1.沈阳建筑大学土木工程学院，沈阳 110168；2.台州学院滨海环境与岩土工程研究所，浙江 台州 318000）

目前，我国工业废料的年产量有30多亿t，另外还有5 000万t危险废物和40多亿t生活垃圾，其中包括有机污染物、无机污染物等持久性污染物[1]，大多数由人工合成，自然状态下难以降解，因此对土体和地下水的危害巨大。与此同时，我国主要采用填埋方式处理生活垃圾，其处理量占生活垃圾处理总量的70%以上。所以，如何处理垃圾填埋场周围的土体污染和水环境污染就成为重中之重。与其他污染物处理方式相比，吸附法是处理成本较低、应用最广泛的方法之一[2]。

1 膨润土

膨润土常被称为蒙脱石黏土矿，其主要化学成分有二氧化硅、三氧化铝等，晶体以正四面体结构为主，其由一层八面体的氧化铝（Al3+）和两层四面体的二氧化硅（Si4+）构成，表面带负电荷。国内膨润土呈现矿分布广、埋藏浅、易采掘和品种齐全的特点，如表1所示。

表1 国内膨润土分布情况

天然膨润土以白色为主，此外，根据其层中离子、矿产地环境条件的不同，还会有浅灰色、乳黄色等。其结构类型主要有粉砂、细沙、角砾凝灰、变余火山碎屑等[3]。由于结构因素，天然膨润土内表面积比较大，内表面带来巨大的内表面能，使其具有较好的吸附能力。虽然膨润土吸附性能较好，但是在未改性的条件下，天然膨润土处于水中时，层间离子会出现水解反应，降低其吸附能力，也就限制了膨润土在污染处理中的应用，因此，有必要研究改性膨润土。

2 膨润土改性种类

膨润土改性种类较多，常见改性剂形式多样，如表2所示。

表2 膨润土改性种类和常见改性剂

2.1 物理改性

2.1.1 高温改性

天然膨润土表面的水膜对污染物吸附有阻碍作用，经过高温焙烧后，膨润土内部以各种形式存在的水分都会蒸发，而且带走部分杂质，这样使得膨润土空间结构得到扩展，内部孔隙被打开，为吸附污染物创造了空间[4]。但是，当焙烧温度过高时，高温会对膨润土结构造成破坏，使其空隙率降低，吸附性能下降。

2.1.2 超声改性

短时间超声会使膨润土结构疏松，层间距变大，有害的重金属离子更易进入；长时间超声会使膨润土晶体片层表面的Si-O-Si键发生变化，增加金属离子与膨润土表面铝氧位的接触机会，使膨润土对金属离子的专性吸附有所增强[5]。

2.2 化学改性

2.2.1 金属改性和磁性改性

常见的金属改性物为Fe和La，其中镧改性膨润土（LMB）是一种广泛应用于磷处理的吸附剂。随着技术的发展，金属离子不再单纯作为金属改性剂发挥作用，而是以磁性剂的功能嵌入膨润土中。

2.2.2 酸改性

膨润土层间离子原本为Na+、Ca2+、Mg2+、Al3+等，酸改性就是通过酸浸泡膨润土，析出层间阳离子，疏通膨润土间的孔道，使吸附质更易在内部扩散。同时，H+进入膨润土层间，代替原有离子，减弱膨润土层间作用力，增加了阳离子交换能力（CEC）和吸附能力。

2.2.3 有机改性

天然膨润土因为层间离子存在的原因，表现为亲水性，不利于吸附有机污染物。有机改性就是利用有机物中的官能团或是有机物来替代膨润土层的阳离子，这样不仅让所得到的改性膨润土转变为亲油疏水性，更增大了层间距，加强了容污能力、离子交换能力。根据相似相容原则，其对有机污染物的表面吸附能力得到提升。

2.2.4 无机改性

无机改性[4]是指利用膨润土的层间正离子可交换的特性，根据无机物材料的水解反应，令其中的金属离子进入膨润土层间来换置出可互换的正离子，从而制取无机改性膨润土。膨润土经无机改性后，层间距显著扩大，比表面增大，吸附效果显著提高。

2.2.5 无机-有机复合改性

无机-有机复合改性[4]是指利用膨润土的层空隙较大及正离子可交换的特性，先利用无机高聚物将其层间域展开，再利用活化剂更改膨润土的表层特性。

3 改性膨润土对污染物的吸附研究

3.1 重金属污染物

王磊等[5]以不同浓度的盐酸、硝酸、磷酸和硫酸对膨润土进行改性处理，研究改性膨润土对Cd-Zn-Pb-Cu四元复合体的吸附效果。结果发现，随着酸浓度的增加，其对Pb离子、Cu离子的吸附能力均出现不同程度的降低。沈胜强[6]通过聚阴离子纤维素、黄原胶改性膨润土对重金属污染物进行吸附研究，发现其对Pb离子的吸附效果较好。

3.2 有机污染物

BERRAAOUAN等[7]利用钠基膨润土吸附香芹醛，通过不同的吸附质浓度和不同的固液比得到吸附结果，最大单位吸附量为110 mg/g。ANTONELLI等[8]利用热改性膨润土（CVL）对环丙沙星的吸附性能进行研究，发现在25 ℃的情况下最大单位吸附量可以达到114.4 mg/g。苑丽质[9]分别对膨润土进行了碱改性、盐改性、表面活性剂改性，发现三种不同的改性膨润土对甲基蓝的去除率分别为73.25%、81.62%、85.06%。王飞宇等[10]采用阳离子淀粉-膨润土体系吸附处理罗丹明，发现阳离子淀粉-膨润土体系对于简单污染物的处理效果明显。

3.3 无机污染物

YU等[11]研究发现，先用纤维棉处理混合水样，再用壳聚糖改性膨润土处理混合水样，吸附絮凝性能最佳。在农业生产中，氮、磷作为重要的化肥原料，对于粮食生产具有重要的作用，但是近年来土壤中氮、磷的流失对水资源造成污染。天然土壤对二者的截留率不高，而经过镧改性的膨润土（LMB）对其截留率达到93.9%。因此，镧改性膨润土既可以保证氮、磷在土壤中的留存量，又可以治理农业生产污染，具有很好的应用前景。

4 结论

近年来，膨润土处理污染物的研究发展较快，改性方法不断革新，既有高温改性、超声改性等物理改性，又有磁性改性、有机改性、无机改性等化学改性。污染物处理方面，可吸附的污染物种类逐渐增多，如重金属污染物、有机污染物、无机污染物。目前，国内外膨润土改性技术的探索大多数还处在试验研究阶段，缺少大规模应用经验。因此，未来要重点研究改性膨润土在污染物处理中的大规模应用，并找到经济效益同技术应用的平衡点。