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千方群1,3,周健民1*,王火焰1,董元华1,2,刘云1,21.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.中国科学院南京土填研究所-香港浸会大学土度与环境联合开放实蚯室，江苏南京2IO8；3.中国科学院研究生院，北京100o49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类水(P)=0.

2、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，而修石的吸附净化能力较差；针对模拟劣V类水(P(P)=LOmgL),膨润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：P57%X52文献标识码：A文章编号：1672-2175(2008)03-0914-04近年来，随着人类活动的不断增强，水

3、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目51。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

4、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8),可在污染土壤修复及水环境治理领域发挥独特的作用K-。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g,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(5150mgL,)的污染水体也川，而实际废水中磷的质量浓度一般在0.11.0mgL左右”61。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

5、，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-rB型XRD仪，CU靶，40kV,80mA,扫描速度为4(。)mm,)分析。粘土矿物经70C烘干，过100目筛备用。另取中国林科院林产化工研究所江苏漂阳市活性炭联合工厂生产的活性炭作为参比材料(CK)01.2 实验方法模拟V类水和劣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0.4mgL和1.0mgl的磷标准溶液。准确称取上述试验材料0.5g

6、于150mL三角瓶中，添加50mL模拟磷污染溶液，重复4次，恒温(200rmm1,(25l)C)振荡1h,静置23h,后450OrmilrI离心8min,过0.22m滤膜，粗蓝比色法网测定滤液的磷含量。1.3 数据处理试验数据由EXCeI2003和SPSS13进行处理作图和方差分析,并使用DUnCalyS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类水的磷吸附净化能力表1供试粘土矿物的产地和矿物组成TableITheminespotsandcompositionofdifterentclayminerals粘土矿物类型城号产地产状矿物组成凹凸棒石粘土AP-I江苏吁胎灰

7、白色粘土，致密层状凹凸棒石粘土，伴一定白云石和少石英凹凸棒石粘土AP-2江苏吁胎灰白色粘土，致密层状凹凸棒石粘土，伴较多白云石凹凸棒石粘土，伴较多家皂石、长石和少量白云石、石凹凸棒石粘土AP-3江苏吁跆青灰色粘土，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,含一定铁融化物高岭土KL2江苏苏州白色，致密块状高岭石为主，伴生矿物很少高岭土KL3江苏苏州青灰夹黄色，松散土状高岭石为主，含三水铝石和少黄铁矿膨润土BN江苏吁胎肉红色，松散土状豪脱石为主,含少石英蛭石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（P）=0.4mgL）的磷吸

8、附量（图Ia）和水体残留磷质量浓度（图Ib,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g;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0.02mgL达到我国地表水水域I类标准M；KL和KL-2处理水体的残留磷质量浓度小于0.2mgL,均达到地表水水域In类标准I；而AP-KAP-2、AP-3及BN处理水体的残

9、留磷质量浓度小于0.3mg-L,也均达到地表水水域IV类标准I。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12。研究发现，室温25、溶液离子强度保持在0.02molL条件下，高岭石的最大磷吸附容量约为0.19mg.g,;Russell等网和袁东海等I研究则显示，高岭土的磷吸附容量为0.16-0.55mgg,o在本研究中,高岭土针对V类水（Z）（P）=0.4mgL）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

10、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（P）=LOmgL,）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如。袁东海等1皿研究发

11、现，蒙脱土投加量为40gL,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60gL,时，CK AP-I AP-2 AP-3 KL-I KL-2 KL-3 BN VE 粘土矿物illin.ilCKAP-IAP-2AP-3KL-IKL-2KL-3BNVE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）=O.4mg-L,）的吸附净化性能比较Fig. 1 PhosphateadsorptioncapabilitiesofdifferentclaymineralsinwaterofGradeV（P0.4

12、mgL,）CKAP-IAP-2AP-3KL-IKL-2KL-3BNVE粘土矿物粘土矿物图2不同粘土矿物对劣V类水(MP)=I.0mgL)的吸附净化性能比较Fig. 2 PhosphateadsorptioncapabilitiesofdifferentclaymineralsinwaterofGradeV-minus(P1.0mgI,)磷的最高去除率可达85%。在本研究中，膨润土投加量为10g.f1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H类标准网。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”2

13、23。例如，在磷质量浓度非常高的水体(150mgL,)中，蛭石投加量为40gf,时,水体中磷的去除率达73%1。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M研究凹凸棒石粘土发现，杂质含量较少的凹凸棒石粘土对P(V一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，高岭土KL-3处理的水体残留磷质量浓度小于0.2mgL-,达到地表水水域In类标准I。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

14、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磔1。膨润土可有效去除水体中的磷，而且改性工艺成熟12627,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

15、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，并通过改性研制新型、高效、环保的废水治理材料。参考文献：IU夏宏生.向欣.废水除磷技术及进展分析JL环境科学与管理.2006.31(1):125-128.XiaHongsheng.XiangXin.TechnologyofphosphorusremovalforwastewateranddevelopmentanalysisonitJ.EnvironmentalScienceandManagement.2006,31(1):125-128.(2J贾晓燕废水除磷技术的研究进展叫.重庆环境科学,2003.25(12):19!-192.JiaXiaoyan.AdvanceintechnologyofphosphorusremovalforWastewaterfJ.ChongqingEnvironmentalScience,2003,25(12):191-192.3吴燕.安树林废泉除嬴方法的现状与展望JJ天津工业大学学报