蒙脫石改性及其在污水處理中的應(yīng)用
2021-07-14
吸附技術(shù)的關(guān)鍵是制備環(huán)保、廉價(jià)、高效的吸附劑。粘土和粘土復(fù)合材料因?yàn)楠?dú)特的結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)展成為從水溶液中去除污染物的高效吸附劑。其中蒙脫石是最具膨脹性的礦物之一，具有較大的比表面積和可膨脹的層狀結(jié)構(gòu)，其優(yōu)異的吸附性能被用于去除水溶液中的各種污染物。
1、原始蒙脫石去除水中污染物
原始蒙脫石可以有效地吸收重金屬離子和陽離子染料等陽離子污染物，其吸附機(jī)理主要為陽離子交換。其中原始蒙脫石對于重金屬陽離子吸附的吸附性能已有許多報(bào)道。
2、酸洗蒙脫石去除水中污染物
酸活化是指在高溫下用相當(dāng)高濃度的無機(jī)酸處理礦物。蒙脫石進(jìn)行酸活化（常用HCl或H2SO4溶液），可使蒙脫石部分溶解，在酸洗的過程中可去除礦物雜質(zhì)同時(shí)也可以將部分結(jié)垢元素浸出，導(dǎo)致蒙脫石的表面性質(zhì)也發(fā)生改變。
許多研究者發(fā)現(xiàn)經(jīng)過酸洗的蒙脫石比原始蒙脫石對污染物吸附效果更好。酸改性除了能提高蒙脫石對重金屬的處理效果之外，也有研究者證明了酸化能提高蒙脫石對其他污染物的吸附，如陰離子RB-81和DB-74染料等。
3、熱處理蒙脫石去除水中污染物
熱活化是一種簡單、經(jīng)濟(jì)的方法，可以改變其結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，適合于吸附去除環(huán)境污染物。
Attar等研究了熱處理膨潤土對137Cs和85Sr的吸附，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明材料在加熱時(shí)發(fā)生脫水和脫羥基，同時(shí)137Cs的主要吸收過程是離子交換機(jī)制，而在85Sr的情況下，與表面OH－基團(tuán)結(jié)合和Sr（OH）2共沉淀是主要吸收過程。
4、有機(jī)物改性蒙脫石去除水中污染物
有機(jī)改性是利用有機(jī)官能團(tuán)或有機(jī)物取代蒙脫石層間可交換的陽離子或結(jié)構(gòu)水。由于有機(jī)改性劑能增加蒙脫石層間距和表面官能團(tuán)含量，改性蒙脫石對重金屬和有機(jī)物的吸附性能明顯提高。
?。?）有機(jī)陽離子改性蒙脫石
常見的用于改性蒙脫石的有機(jī)陽離子包括四甲基銨（TMA）、結(jié)晶紫、亞甲基藍(lán)等。Zhu等研究了四甲基銨插層膨潤土及其降電荷膨潤土內(nèi)外硅氧烷表面對脂肪族和芳香族化合物的吸附，結(jié)果表明TMA+降低膨潤土層間電荷和飽和度，能改善層間微環(huán)境，顯著促進(jìn)中性有機(jī)物（NOCs）的吸附，另外空間位阻和苯基效應(yīng)控制了NOCs在TMA+膨潤土內(nèi)硅氧烷表面的吸附。
?。?）陽離子表面活性劑改性蒙脫石
陽離子表面活性劑改性蒙脫石通常指含有至少一個(gè)長烷基鏈的有機(jī)陽離子（即陽離子表面活性劑）合成的。最為常見的有十六烷基三甲基銨（HDTMA）。該類O蒙脫石可以去除疏水性有機(jī)物（HOC）、陰離子污染物、重金屬離子和放射性離子等。
粘土礦物由于其負(fù)電荷和表面親水性，因而對疏水和陰離子污染物的吸附能力相對較低。用陽離子表面活性劑改性蒙脫石可以增強(qiáng)對HOC和陰離子污染物的吸附能力，同時(shí)這類O蒙脫石上存在電荷平衡無機(jī)離子可能會(huì)降低其疏水性，從而降低其攝取HOC的能力。
?。?）其他有機(jī)改性蒙脫石
運(yùn)用天然聚合物或豐富的生物質(zhì)對礦物進(jìn)行改性是當(dāng)前制備礦物復(fù)合材料的熱點(diǎn)，殼聚糖是一種很好的金屬離子配位體，能選擇性和高效地與過渡金屬離子形成CTS金屬離子復(fù)合物和配位鍵。Chen等制備了蒙脫土中空層狀介孔球（MMTNS@CS-HMPHS），結(jié)果表明在MMTNS@CS空心球殼上形成了介孔孔道，從而獲得了較高的比表面積，同時(shí)還具有MMT和殼聚糖的活性中心，大大提高了其在吸附、藥物傳遞和催化劑載體等方面的性能。
除了殼聚糖外，還有各種各樣的其他聚合物，如纖維素、聚丙烯酰胺等。
5、無機(jī)改性蒙脫石去除水中污染物
?。?）羥基金屬改性蒙脫石
在各種無機(jī)改性蒙脫石中，由于Hyd-Mt具有大的SSA和豐富的化學(xué)活性表面基團(tuán)，羥基金屬聚陽離子（Hyd）已經(jīng)是最常見的無機(jī)改性劑。迄今為止，各種羥基金屬聚陽離子（如羥基鋁、羥基鐵、羥基鉻等）已被用于合成Hyd-Mt。
蒙脫石存在比表面積小、層間距窄、表面疏水等不足之處，采用Al3+水合物柱撐改性的方法，可以產(chǎn)生更高的永久孔隙率和更寬的夾層被廣泛應(yīng)用。最常用的無機(jī)柱撐劑就是羥基鋁聚陽離子（Al13）。鋁柱撐粘土（Al-蒙脫石）是通過Al13陽離子的插層來獲得的，鋁柱撐粘土比有機(jī)粘土更具有熱穩(wěn)定性和多孔性，可用于去除水中的重金屬和氧陰離子污染物等。
?。?）納米顆粒負(fù)載蒙脫石
近年來，在粘土礦物的層間空間中加入納米結(jié)構(gòu)材料合成的納米復(fù)合材料因其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)和在不同領(lǐng)域的潛在應(yīng)用而受到越來越多的關(guān)注。蒙脫石納米結(jié)構(gòu)材料除了具有高比表面積外，還具有催化電位高、反應(yīng)活性高等特點(diǎn)，使其比普通蒙脫石材料具有更好的吸附性能。
Soliemanzadeh等利用綠茶提取物制備了膨潤土負(fù)載的“綠色”納米零價(jià)鐵（B-nZVI），結(jié)果表明，合成的B-nZVI對Cr（Ⅵ）的吸附量遠(yuǎn)高于膨潤土，吸附高度依賴于pH值，在2～6的pH范圍內(nèi)提供最大吸附量，且吸附過程為化學(xué)吸附過程。
6、無機(jī)-有機(jī)改性蒙脫石去除水中污染物
有機(jī)-無機(jī)改性運(yùn)用較普遍的就是陽離子表面活性劑和金屬羥基聚陽離子插層組合。同時(shí)Fe（Ⅲ）、Cr（Ⅱ）和Ti（Ⅱ）等羥基聚陽離子可代替羥基鋁用作無機(jī)改性劑和柱撐劑。Bouberka等證明了十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）存在下的鉻插層膨潤土比鋁插層膨潤土具有更好的吸附性能，陰離子染料酸性染料超醇黃4GL（S.Y.4GL）在三種情況下的平衡吸附容量分別為142、85、128.20mg/g。
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