不同粘土矿物对磷污染水体的吸附净化性能比较.docx

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1、不同粘土矿物对磷污染水体的吸附净化性能比较干方群1,3 ,周健民1* ,王火焰1 ,董元华J ,刘云121.中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室，江苏南京210008 ； 2.中国科学院南京土壤研究所-香港浸会大学土壤与环境联合开放实验室，江苏南京210008 ； 3.中国科学院研究生院，北京100049摘要：比较了凹凸棒石粘土、高岭土、膨润土和蛭石等4种粘土矿物共8个样品对不同程度磷污染水体的吸附净化能力。结 果发现，4种供试粘土矿物对水体磷均有一定的吸附净化潜力，但针对不同程度磷污染水体存在一定差异，且同一种粘土矿 物的吸附净化能力也会因矿物组成差异而不同；针对模拟V

2、类水(P)=0.4mgL- ),高岭土的吸附净化能力最强，其次凹凸 棒石粘土和膨润土的吸附净化能力与活性炭接近，而蛭石的吸附净化能力较差；针对模拟劣V类水(MP)=LOmgLI),膨润 土的吸附净化能力最强，蛭石次之，高岭土因矿物组成不同而有很大差异，凹凸棒石粘土的吸附净化能力与活性炭较为接近。 结果表明，凹凸棒石粘土和膨润土针对不同程度磷污染水体的应用范围较宽，高岭土最适用于V类磷污染水体，而蛭石可应 用于劣V类磷污染水体。关键词：粘土矿物；凹凸棒石粘土；高岭土；膨润土；蛭石；磷；吸附净化中图分类号：P579; X52文献标识码：A文章编号：1672-2175 ( 2008 ) 03-091

3、4-04近年来，随着人类活动的不断增强，水体的氮 磷污染日益严重。大量富含氮磷的生活污水、工业 废水以及施用农药、化肥的农田径流进入江河湖 海，均会造成水体的富营养化。氮磷均是水生生 物的重要营养物质，研究表明磷是水体富营养化的 关键因子。因此，有效降低排放废水中磷的含量 已成为防治水体富营养化的重要途径。目前国内外 常用的废水治理方法有吸附法、沉淀法、生物法、 混凝法及离子交换法等，其中吸附法具有处理效果 好、占地面积小、工艺简单、操作方便等优点，在 磷污染水体的净化处理中备受关注工研究发现， 粘土矿物是自然界中广泛分布的一类非金属矿藏 资源，具有比表面积大、孔隙多和极性强等优点， 特殊的胶

4、体性能和晶体结构又使其具备优良的表 面吸附性能和离子交换性能；正是因为具有这些优 异的性能，粘土矿物已逐渐成为新型高效吸附材料 开发的热点68,可在污染土壤修复及水环境治理领 域发挥独特的作用例如，高岭石与蒙脱石不 仅储量丰富、来源广泛、成本低廉，而且具有比表 面积大、吸附性能佳等特点，水体净化功能与活性 炭相当甚至更好,应用前景看好。然而，当前有 关研究往往局限于模拟磷质量浓度非常高(5 150 mgL1 )的污染水体P- ,而实际废水中磷的质量 浓度一般在0.1 1.0 mgL-左右516。因此,针对 该磷质量浓度水体的净化治理应予以更充分的关 注和研究，因为不同粘土矿物对不同程度磷污染水

5、 体的吸附净化效果可能不同，本文着力比较我国4 种典型粘土矿物对不同程度磷污染水体的吸附净 化性能，以期为筛选可应用于治理不同程度磷污染 水体的粘土矿物材料提供科学依据。1材料与方法1.1 实验材料供试粘土矿物共有4种合8个样品，包括凹凸棒 石粘土、高岭土、膨润土和蛭石，矿物产地与组成 见表1 ,其中矿物组成采用X-射线衍射(D/max-r B 型XRD仪，CuIB , 40 kV , 80 mA ,扫描速度为4 (o ) min1 )分析。粘土矿物经70 烘干,过IOO目 筛备用。另取中国林科院林产化工研究所江苏深阳 市活性炭联合工厂生产的活性炭作为参比材料 (CKb1.2 实验方法模拟V类

6、水和劣V类水总磷质量浓度标准, 称取磷酸二氢钾(分析纯)配制P的质量浓度为0.4 mgL-i和1.0 mg.1/的磷标准溶液。准确称取上述 试验材料0.5 g于150 mL三角瓶中，添加50 mL模 拟磷污染溶液,重复4次，恒温(200 r min1 , (25 +1) )振荡 1 h ,静置 23 h ,后 4 500 rmin1 离心 8 min ,过0.22 m滤膜,铝蓝比色法M测定滤液的 磷含量。1.3 数据处理试验数据由EXCel 2003和SPSS 13进行处理作 图和方差分析，并使用DUnCaiVS新复极差法(LSR ) 进行多重比较。2结果与讨论2.1 不同粘土矿物对V类水的磷

7、吸附净化能力表1供试粘土矿物的产地和矿物组成Table 1 The mine spots and composition of different clay minerals粘土矿物类型编号产地产状矿物组成凹凸棒石粘土AP-I江苏肝胎灰白色粘土，致密层状凹凸棒石粘土，伴一定量白云石和少量石英凹凸棒石粘土AP-2江苏肝胎灰白色粘土，致密层状凹凸棒石粘土，伴较多白云石凹凸棒石粘土，伴较多蒙皂石、长石和少量白云石、石凹凸棒石粘土AP-3江苏肝胎青灰色粘土，松散土状英、蛭石、铁氧化物高岭土KL-I江苏苏州红色，松散土状高岭石为主，含一定量铁氧化物高岭土KL-2江苏苏州白色，致密块状高岭石为主，伴生矿物

8、很少高岭土KL-3江苏苏州青灰夹黄色，松散土状高岭石为主，含三水铝石和少量黄铁矿膨润土BN江苏肝胎肉红色，松散土状蒙脱石为主，含少量石英蛭石VE河北灵寿青灰色，块状蛭石为主，伴生矿物较少图1示4种粘土矿物吸附净化V类水（P）=04 mgL1 ）的磷吸附量（图Ia）和水体残留磷质量浓度 （图Ib卜由图Ia可知,不同粘土矿物对磷的吸附 净化能力不同，且同一种粘土矿物的净化能力也因 矿物组分不同而存有明显差异。整体来看，高岭土 的吸附净化能力最强，其次凹凸棒石粘土和膨润土 的吸附净化能力与活性炭比较接近，而蛭石的吸附 净化能力较差。因为高岭石易与磷形成铝磷化合 物，且铝的含量越多，吸附磷的能力就越强

9、Sig； KL-3含有三水铝石和少量黄铁矿，因此具有最佳的 磷吸附能力，水体的残留磷质量浓度小于0.02 mgL1 ,达到我国地表水水域I类标准；KL-I和 KL-2处理水体的残留磷质量浓度小于0.2 mgL1 , 均达到地表水水域III类标准口7；而AP-K AP-2、 AP-3及BN处理水体的残留磷质量浓度小于0.3 mgL1 ,也均达到地表水水域IV类标准口力。结果显示，与常用磷吸附净化材料活性炭相 比，4种粘土矿物中除蛭石外，高岭土、凹凸棒石 粘土和膨润土均具有较好的磷吸附净化能力，以高 岭土的吸附性能最佳。研究表明，高岭土具有较高 的的磷吸附容量，例如：Bar-YOSef等研究发现，

10、 室温25 、溶液离子强度保持在0.02 molL1条件 下，高岭石的最大磷吸附容量约为 0.19 mgg1 ; Russell等口9和袁东海等研究则显示，高岭土的磷 吸附容量为0.160.55 mg.g1o在本研究中,高岭土 针对V类水（P）=0.4 mgL1 ）的磷吸附净化率几近 100% ,表明其完全可以应用于低磷污染水体，且具 有同样甚至更为出色的吸附净化能力。2.2 不同粘土矿物对劣V类水的磷吸附净化能力图2示不同粘土矿物吸附净化劣V类水 （P）=1.0 mgL1 ）的磷吸附量（图2a ）和水体残留 磷质量浓度（图2b从图2a可以看出,针对模 拟劣V类水，不同粘土矿物的磷吸附量差异很

11、大， 与V类水不同的是同一种粘土矿物因矿物组分不 同而形成的磷吸附差异甚至远远大于不同种粘土 矿物之间的差异。整体来看，粘土矿物还是具有较 好的水体净化能力 其中膨润土的吸附净化能力最 强，其次为蛭石，凹凸棒石粘土的吸附净化能力与 活性炭较为接近，而高岭土因矿物组分不同而有很 大差异。国内外近年来已开展了不少关于利用膨润土 处理废水的研究Pi。袁东海等口2研究发现,蒙脱 土投加量为40 gL1的条件下,磷的去除率约为 44.8% ；关晓彤发现膨润土投加量为60gI时，50CK AP-I AP-2 AP-3 KL-I KL-2 KL-3 BN VE 粘土矿物Oooo 4 3 2 1(一享m)血差

12、M.54 3 2 1.0 0.0.0.0.0.0. b (TTM日)、(W)Q川E11CK AP-I AP-2 AP-3 KL-I KL-2 KL-3 BN VE粘土矿物CK :活性炭；AP :凹凸棒石粘土 ; K :高岭土 ； BN :膨润土 ; VE :蛭石；竖杠表示标准偏差。下同图1不同粘土矿物对V类水（P（P）=OA mgL1 ）的吸附净化性能比较Fig. 1 Phosphate adsorption capabilities of different clay minerals in water of Grade V （P 0.4 mgL1）806040200b 1.0CK AP-I

13、 AP-2 AP-3 KL-I KL-2 KL-3 BN VECK AP-I AP-2 AP-3 KL-I KL-2 KL-3 BN VE粘土矿物粘土矿物图2不同粘土矿物对劣V类水(O(P)=LOmg.U )的吸附净化性能比较Fig. 2 Phosphate adsorption capabilities of different clay minerals in water of Grade V-minus (P 1.0 mgL1)磷的最高去除率可达85%。在本研究中，膨润土投 加量为10 gI时,劣V类水中磷的去除率高达 97% ,出水磷含量小于0.1mgL- ,达到了我国地表 水水域类标

14、准研究表明，蛭石固液体系的缓冲能力较强，即 使污水磷质量浓度变化较大，体系仍能维持较好的 污水处理效果b?例如，在磷质量浓度非常高的 水体(150mgL1 )中，蛭石投加量为40gI时， 水体中磷的去除率达73%。在本研究中，针对劣 V类水,蛭石对磷的去除率约为55% ,吸附净化能 力虽然不及膨润土，但也是应用于高磷污染水体的 理想材料。邱菲因研究凹凸棒石粘土发现，杂质含量较少 的凹凸棒石粘土对P4%的吸附性能优于杂质含量 较多的，这与本研究3个凹凸棒石粘土样品中AP-I 的吸附净化能力最强是一致的。此外，高岭KL-3 处理的水体残留磷质量浓度小于0.2 mgL1 ,达到 地表水水域I类标准。

15、以上结果表明,在筛选水 体净化材料时，对粘土矿物组分的分析有时可能比 对矿物种类的界定更为重要和有效。3结论与展望凹凸棒石粘土、高岭土、膨润土和蛭石等4种 粘土矿物对磷污染水体均有一定的吸附净化潜力， 但针对不同程度磷污染水体存在较大差异，且同一 种粘土矿物的吸附净化能力也会因矿物组分差异 而有所不同。凹凸棒石粘土和膨润土针对不同程度 磷污染水体的应用范围较宽，高岭土最适用于V类 磷污染水体，而蛭石可应用于劣V类磷污染水体。我国凹凸棒石粘土矿占世界储存量的一半以 上，可作为常用水体净化材料活性炭的替代品进行 开发2支 膨润土可有效去除水体中的磷，而且改性 工艺成熟26-27,用于研制治理富营养化水体的新材 料具有广阔前景。高岭土和蛭石在磷污染水体的净 化处理中各有侧重，但资源稀缺性也在一定程度上 限制了它们的实际应用。因此，在实际处理磷污染 废水时应根据不同粘土的矿物特性、资源有效性以 及经济可行性等，充分发挥粘土矿物资源在环境治 理上的应用潜力，并通过