粘土矿物功能材料的制备及其在重金属废水处理中的应用

(武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉430070)

一、内容介绍

1)实验结果表明，插层剂的用量影响蒙脱土有机插层化合物的层间距。制备蒙脱石有机插层复合物的最佳插层剂用量为120%CEC，钙基蒙脱石有机插层复合物(GY)的层间距由钙基蒙脱石(原土)的1.556nm增加到65436 nm。钠基蒙脱土有机插层化合物(NY)的层间距从钠基土的65438±0.296nm增加到2.045nm，有机改性蒙脱土对Cr (ⅵ)的吸附效果明显高于原状土和钠化土，其吸附去除率随着改性时插层剂加入量的增加而增加。当超过100%CEC时，低浓度Cr (ⅵ)废水的吸附去除率并不随着插层剂加入量的增加而增加。吸附去除率受pH值、反应时间、吸附剂用量和废水初始浓度的影响。蒙脱石有机插层复合物吸附的最佳pH值为3，吸附平衡时间为60 min。吸附去除率随吸附剂用量的增加而增加，随初始浓度的增加而降低。在最佳实验条件下，即pH值为3，吸附反应时间为60 min，吸附剂用量为2 g/100 mL，含Cr (ⅵ)废水的吸附去除率达到98%，处理后废水残留浓度低于国家排放标准。结果表明，Cr (ⅵ)主要以阴离子基团如等形式存在于水中，难以进入蒙脱石层，因此原状土和钠化土的吸附效果不佳。十六烷基三甲基溴化铵插层剂不仅通过阳离子交换进入层间，还通过疏水键吸引进入层间，插入量超过100%CEC，显著提高了层间间距和吸附效果，因此能有效去除废水中的Cr (ⅵ)离子。

2)采用无机-有机柱撑技术，以湖北钟祥天然钙基累托石为原料，经过选矿、提纯和钠化改性后，用TiCl4 _ 4制备柱撑剂，然后用该柱撑剂和十六烷基三甲基溴化铵在不同条件下对钠基累托石进行无机-有机柱撑。钠化后累托石的胶体值比钠化前提高了7.5 ~ 16倍，膨胀性能提高了5 ~ 25倍，膨胀值提高了约10倍。流变性能和干湿抗压强度显著提高。柱化剂的制备通常采用AlCl3碱水解制备的羟基铝Keggin离子作为柱化剂，用作柱化剂的羟基钛离子直径大于羟基铝离子，可以获得较大的层间距，但其制备复杂，难以控制。特别是TiCl4 _ 4在空气中容易水解，在氮气环境下反应解决了这个问题。在无机柱撑形成柱撑累托石的基础上，用十六烷基三甲基溴化铵进一步进行无机-有机柱撑，可有效扩大膨润土的层间距，明显提高其热稳定性，从而获得质量更好的柱撑产品。通过正交实验优化无机-有机层柱累托石对含Cr (ⅵ)废水的吸附处理条件，确定了吸附处理工艺条件，吸附去除率达到98.0%。实验研究表明，无机-有机柱撑累托石对含Cr (ⅵ)废水的吸附去除效果明显高于原土和钠土，是一种性能优异的新型粘土矿物功能材料。

3)用针铁矿处理模拟含铬废水和大冶有色金属公司实际废水，得到最佳吸附处理条件，铬离子的最高吸附去除率为98.26%。用吸附了铬离子的针铁矿进行二次吸附实验，去除率达到80%左右，表明针铁矿可以重复使用。在淡水介质中的解吸实验(与吸附实验条件相同，样品初始浓度为20mg/L)发现，Cr3 ++的解吸率为0.318%，为9.64%，说明针铁矿对重金属离子有很强的固定能力。

目前，制约矿物材料在含重金属废水处理中应用的主要问题是矿物材料吸附后重金属离子的解吸、再生和回收。吸附了重金属离子的矿物材料，如果不再生，会形成固体废物，占用土地，造成二次污染。目前国内外矿物材料的再生主要采用酸、碱、盐等化学试剂或高热、磁场、微波等方法。这些方法要么再生效果差，要么改变了矿物结构，使矿物材料不能多次重复使用。该项目采用液膜乳化萃取技术，将吸附重金属离子后的矿物材料解吸再生再利用，使重金属离子得以回收，避免了二次污染。该技术经过对多种重金属离子(Cu2++、Pb2++、Cr3 ++和Ni2++)和矿物材料(累托石、膨润土和沸石)的反复试验，取得了良好的效果，并申请了国家发明专利(矿物材料界面重金属离子回收液膜乳化技术)。

二、推广应用

本项目成果具有创新性，为有效去除废水中重金属离子提供了一种高效廉价的粘土矿物水处理剂，也为我国丰富廉价的粘土矿物原料开辟了新的应用领域，具有理论意义和应用前景。

如蒙脱土有机插层化合物、无机-有机柱撑累托石、针铁矿等水处理功能材料，对含铬废水的吸附去除率均达到98%，处理后残留浓度低于国家排放标准(0.5 mg/L)。大冶有色金属公司冶炼厂实际含重金属废水也得到成功处理。