膨润土基复合材料在废水处理中的应用大的比表面积、良好的吸附性能和突出的阳离子交换能力等优点为膨润土在污水处理中的应用奠定了基础。膨润土及膨润土基复合材料用于污水处理吸附剂具有制备方法简单、去除效果好、化学稳定性高、可再生等优点。因此,开发新型膨润土基复合材料并将其应用于废水处理对提高膨润土应用价值,减少废水排放,和打赢“蓝天保卫战”具有十分重要的意义。
1、重金属离子废水处理
膨润土因具有离子交换性和表面硅氧基和铝氧基等可以吸附重金属离子,还可以通过活化、改性或者与其他材料复合等方法进一步提高其吸附性能。新型膨润土基复合材料不仅能为重金属的吸附提供更多的吸附位点,增强重金属吸附性能,而且能实现负载污染物吸附剂的简易固液分离。
最新研究进展:
Mohammed采用包覆Fe3O4磁铁矿纳米粒子的天然膨润土作为吸附剂,从污染水中分离Cu2+,结果表明,试验数据符合Langmuir模型,当pH值为6,吸附剂用量为0.5g,最大吸附量可达到46.mg/g,该复合材料不仅具有较强的吸附性能,而且便于固液分离。
王世威研究了聚多巴胺改性膨润土(PDA-Bentonite)和4-氨基吡啶改性膨润土(4-AP-Bentonite)对U(VI)的吸附行为,研究发现:PDA-Bentonite对U(VI)吸附为自发吸热的单层化学吸附,U(VI)的去除率高达93.56%;4-AP-Bentonite对U(VI)吸附也为自发吸热的化学吸附,U(VI)最大吸附容量高达.43mg/g。
Wang等采用磁性膨润土-壳聚糖混合珠(BN-CTS)对水中铯离子(Cs+)进行了混合吸附试验,研究发现该膨润土-壳聚糖微球的最大吸附容量为57.1mg/g,吸附原理为离子交换,Cs+与BN-CTS微球中复合的膨润土层间的离子进行交换,达到吸附去除水中Cs+的目的,此外该微球且具有良好的选择性。用MgCl2溶液处理微球,定量解吸Cs+,可使吸附剂循环使用。
张晓涛等人以天然高分子材料木质纤维素和硅酸盐矿物蒙脱石为原料,采用插层复合反应将蒙脱石与木质纤维素复合,制备出一种新型吸附剂木质纤维素/蒙脱土纳米复合材料(LNC/MMT)。LNC/MMT复合材料在初始浓度为0.mol/L的Cd2+溶液、pH值为5.6、温度为55℃、吸附时间为80min的条件下,吸附容量可达到最大值.45mg/g,吸附过程符合Langmuir等温吸附模型,吸附方式主要为单分子层化学吸附。
Fu等人合成了一种环保型的玉米芯生物炭基蒙脱土复合材料(CC-mt),用于Pb(Ⅱ)和一种新型有机污染物(ATE)的单吸附和共吸附。在单一吸附体系中,CC-mt对Pb(Ⅱ)和ATE的最大平衡容量分别为.78mg/g和86.86mg/g,相比蒙脱石或者玉米芯生物炭的单独吸附效果有着显著的提高。
李玉洁等人采用水热振荡法制备了膨润土-壳聚糖复合吸附材料,从污染水中分离Cu2+,结果表明,试验数据符合Langmuir和Freundlich模型,在Cu2+初始浓度为50mg/L、pH值为7、吸附温度为30℃、接触时间为15min的条件下,膨润土-壳聚糖复合吸附剂对Cu2+的去除效率可达95%以上,吸附量可达到20.12mg/g。
刘相廷等人以膨润土、聚乙烯醇(PVA)、壳聚糖(CS)为原料,采用超声剥离-自组装-冷冻干燥法制备了膨润土纳米片基水凝胶,之后进行的Pb2+离子吸附试验结果表明,该凝胶吸附铅离子的最佳pH值范围为4~5,吸附过程较好的符合拟二级动力学方程和Langmuir等温吸附模型,且吸附过程比较容易进行。
2、有机废水处理
天然膨润土可通过分子引力作用吸附有机污染物,但吸附能力较差。然而,可通过对膨润土进行改性或者与其他材料复合,改变其表面性能和晶层间距,进而增强膨润土对有机污染物的吸附性能。
最新研究进展:
Neelaveni等采用间歇吸附系统研究了MMt/还原氧化石墨烯复合材料(MrGO)对罗丹明B(RhB)和Ni2+离子的同时吸附性能,研究发现:中性条件下,MrGO对Ni2+的最大吸附量为mg/g,对RhB的最大吸附量为mg/g,对比GO,MMT的单独吸附,复合材料的吸附量明显增加,且实现了1+1>2的吸附效果,同时其解吸再吸附效果也较好。
Dai等研究了聚乙烯醇/羟甲基纤维素/GO/膨润土水凝胶对亚甲基蓝对(MB)吸附的性能,研究发现该水凝胶的最大吸附量达到.4mg/g(30℃),明显高于不制备成水凝胶时的83.33mg/g。此外,所制备的水凝胶具有良好的循环使用性能,是一种处理废水中阴离子染料的高效吸附剂。
Yang等通过3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)的接枝反应,成功地合成了MMT/GO和MMT/rGO复合材料,亚甲蓝(MB)吸附试验表明,MMT/GO的吸附容量最高,达到了.1mg/g,5min吸附时间内的去除率达到94.3%。吸附机理分析表明,MMT与GO纳米片之间的协同效应使得MMT/GO复合材料表现出高比表面积、高含氧基团和高吸附能力。
Pourjavadi等人将亚甲基双丙稀(MB)与聚丙烯酰胺接枝共聚为原料,之后引入膨润土,制备出一种新型的基于树脂类卡拉胶的高吸水性复合材料。该材料制备过程中以亚甲基双丙烯酰胺(MBA)作为交联剂,过硫酸铵(APS)为引发剂,碳酸钠为成孔剂,具体合成为亚甲基双丙稀(MB)与聚丙烯酰胺形成十字交叉的网络结构,为膨润土提供负载基地。之后对制备的材料进行溶胀行为研究和染料吸附行为研究,结果发现,随着卡拉胶与膨润土质量比的增加,复合材料的溶胀能力增大,凝胶含量降低。通过引入碳酸钠作为造孔剂,水凝胶的溶胀率得到了提高。在适当的吸附条件下,所制备的吸附剂对亚甲基蓝的最大吸附量为.25mg/g,吸附结果符合Langmuir等温模型。
Pan等人制备了纤维素/蒙托石介孔复合微球(ACeMt),以超细碳酸钙为成孔剂,提高纤维素/蒙脱土介孔复合微球的孔隙率和比表面积。结果表明,试验数据符合Langmuir模型,ACemt的最大吸附容量远高于常规吸附剂,在温度为55℃时,特别是对金胺O染料的最大吸附量可达.2mg/g。
3、膨润土基复合材料在废水处理中的循环利用
循环使用一方面可以降低吸附剂使用成本,提高其使用效率,另一方面也可以负载污染物的吸附剂进行再处理,避免其造成二次污染。
最新研究进展:
汤睿等对CTAB/MB复合材料进行吸附与解吸试验,研究发现经过5次循环后,其吸附效率仍然可以达到80%以上。说明了该材料在回收利用循环过程中具有一定优势,也符合资源循环再利用的准则。
Neelaveni等进行了MrGO对RhB和Ni2+离子的同时吸附后的解吸与再吸附试验,发现经过5次的解吸与再吸附试验,MrGO仍然存在着较高的吸附效率,同时对于污染物的脱除效率也较高。
Zhou等人研究了将APTES和MnO2与磁性膨润土相结合,合成出一种新型磁性氨基官能化共轭吸附剂:膨润土/CoFe2O4
MnO2-NH2(BCFMNs)。试验数据表明,材料的合成效果好,磁性强,表面积为84.97m2/g,孔隙体积为0.15cm3/g,平均孔径为7.02nm。吸附试验结果显示该材料对Cd2+的最大吸附效率可达98.88%,符合Langmuir模型,最大吸附量为.79mg/g。在高浓度阳离子共存的情况下,吸附剂对Cd2+的去除率仍然较高。利用所制备的磁性共轭吸附剂的磁性能,可以对其进行回收利用。章俊等人利用Al3+离子较易水解聚合的性质,合成了原位柱撑改性膨润土(PMCs),通过单因素试验探讨了PMCs的用量及搅拌时间对养殖废水的去除效果。试验数据表明,当添加3g/50mLPMCs、搅拌时间为60min时,对养殖废水的处理效果最优,此时,COD-cr、总氮、总磷、氨氮的去除率分别为90.27%、90.21%、90.1%、90.5%。
来源:苗毅恒,曹亦俊,彭伟军,等.膨润土基复合材料在废水处理中的应用研究进展[J].矿产保护与利用,,40(01):56-64.