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膨润土

2010-11-18

膨润土--天然纳米材料在环保和荒漠化治理中的应用
鞠建英
(北京市市政工程设计研究院,北京100045)
摘要:本文概略介绍了天然纳米材料—膨润土在国内外环境保护和荒漠化治理中的应用概况及前景。
关键词:膨润土;纳米防水材料;废水废气治理;荒漠化治理
一般把分子粒径小于等于1~100nm(即10-9~10-7m)的材料称为纳米材料。膨润土的矿物学名称是蒙脱石,其分子粒径为10-11~10-9m,是纳米级的,是亿万年前天然形成的。国外把膨润土称为天然纳米材料、万用粘土。膨润土的这种万种用途取决于其矿物特性。一般膨润土都具有良好的粘结性、膨胀性、胶体分散性、悬浮性、吸附性、催化活性、触变性和阳离子交换性等。
膨润土的膨胀力特强,其原因是膨润土具有物理化学性强、结合水的能力强等特性。通常在与水接触24h开始水化,膨胀4~5倍,48h水化完成,变成原来颗粒体积的10~15倍甚至30倍的凝胶体。其渗透率可减至10-11cm/s。
我国的膨润土资源极为丰富,遍布26个省市,储量世界第一,但开发应用的极少。我国的膨润土品质优良,性能与美国怀俄明州的一样,我国新疆的膨润土有的性能优于美国。膨润土除可用作防水材料外,还可用于沙漠化治理、污水处理、生物给养、食品、药品、纺织、轻工、石油、冶金等各行业。用中国膨润土制成的纳米防水毯、板及附属产品已通过建设部科技发展促进中心组织的专家技术鉴定,产品可供国内外广泛应用。
一、膨润土在环境保护中的应用
环境保护是当今生态环境首要课题。天然纳米材料——膨润土在环保中应用在国外已相当广泛。膨润土可作为有害物质吸附剂,浑浊水的澄清剂,放射性废料和有毒物料的密封剂,被污染水的防水剂、污水处理剂、洗涤助剂等,但我国开发研究应用的较少。
1.在废料处理方面的应用
(1)用天然钠基膨润土做垃圾填埋场的防渗层国外用膨润土毯(板)、粉做垃圾填埋场防渗层的很多,尤其是德国、韩国、日本,美国用的更多,我国也已开始使用。因膨润土具有高度的水密实性和自我修补、复原功能,在理论上是接近完美的防渗材料。2002年世界足球杯的赛场就在一个特大的垃圾填埋场上建成,其上下四周全部用膨润土毯做防渗层。而韩国15年前所建的填埋场所用防渗材料与我国以前建的填埋场一样,防渗材料的耐久性差,有的严重污染地下水。要修复这些防渗层,杜绝渗漏,需花原造价5倍的代价。
(2)用膨润土进行核废料处理和消毒防护国内外都有将核电站等放射性废料用膨润土稠浆包裹后装入容器深埋地下的做法,效果较好;国外用膨润土制备毒剂防护的消毒急救包,有广泛的用途。
2.在废水废油处理中的应用
(1)膨润土在处理煤气洗涤废水中的应用用膨润土处理印染废水、煤气洗涤废水、味精厂等废水、废物,去除率达99.5%。有的处理废水后再把回收物做成饲料添加剂。
(2)用膨润土作动物垫圈料处理废水、臭气膨润土能使动物粪便容易分散、清理。国内大城市的需求量也有提高。由于圈养动物场和屠宰场、水产加工场产生的污水、臭气对环境有害,可在这些场所撒膨润土,回收高效肥料,有一举两得之效。
(3)用膨润土处理、吸附废油用膨润土处理快餐的煎炸废油、油污十分有效。膨润土是很好的吸附剂,用膨润土吸附电力行业绝缘油在国外很盛行;海上油船泄漏的油浮在海面上,国外是在其上撒吸附剂后结块清除。
(4)用膨润土做洗涤用品用膨润土洗涤羊毛等在古罗马、古埃及公元前3000年已开始,现代洗涤剂掺入一定量的膨润土,可增加其洗洁力度。
3.在废气处理中的应用
(1)用膨润土处理有害气体国外用膨润土制成汽车排气管、过滤器,主要是充分利用膨润土的吸附性。
(2)用膨润土制作卷烟复合过滤剂用膨润土代替活性炭可降低卷烟中含有的焦油、自由基、尼古丁等对人体的危害。
4.膨润土在软水剂、澄清剂中的应用
(1)在水库上游撒膨润土可使水库不洁物质絮凝沉入库底经生物净化加以处理,同时也可使水库漏水得到根治。因为膨润土能修复库底裂缝。
(2)膨润土可使果汁、糖汁澄清。
(3)膨润土可使硬水软化。
5.膨润土做防渗材料可抵御海水对淡水、土地的盐化侵害
二、膨润土在沙漠化治理中的应用
沙漠化土地在我国30个省区市的851个县旗均有分布,这些荒漠化土的颗粒较粗,一般呈细砂、粉砂状,无粘性,渗水性强。而膨润土的颗粒极细,有较强的膨胀性、粘性,两者混合拌匀,即可变成能保水的种植土。膨润土含有许多有利于动、植物生长的成分,可以为动、植物提供多种营养。
1.中国膨润土的分布和几个大沙漠邻近,有利于治理荒漠化
从中国地图和中国膨润土分布图上可以清楚地看出:内蒙古的浑善达克沙地,就在北京的正北边,离盛产膨润土的兴和、张家口、赤峰都不太远;毛乌素沙地、库布齐沙漠、乌兰布和沙漠、腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠等附近也有膨润土矿床。新疆的库母塔格沙漠、古尔班通古特沙漠、塔克拉玛干沙漠边上均有优质膨润土矿床。中国目前勘探出的最大膨润土矿储量50亿吨,品质比美国的优良,离古尔班通古特沙漠较近。托克逊、柯尔碱有优质膨润土矿床,离塔克拉玛干沙漠也不远。甘肃金昌也有膨润土矿床,离腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠都很近。
2.在沙漠下的暗河、水库对治沙很有利
膨润土是很好的防水材料,在表层沙下铺一层膨润土(一薄层)即可储水。用膨润土做防水层也可以建大量的储水塘、池、库、渠,再将沙漠下暗河、水库里的水抽上来,储住,慢慢用。最近地质部门在塔里木大沙漠的北部勘察出储水量很大的地下水库,可用膨润土与当地土混合建输水渠,将水引向四面八方。
3.膨润土具有有利于沙漠化治理的特性
膨润土的抗渗性和抗冻性好;压缩性和固结性好;对沙土的稳定性好;膨润土的密实性、自保水性、永久性抵消了沙化土的种种缺陷;能增加沙土的粘性和保水能力;用膨润土作动物饲料添加剂可提高牛、羊产奶量、鸡的产蛋量、营养成分等,有利于动物圈养。
4.用膨润土能快速修建储水池、储水窖、输水渠
用膨润土防渗层铺河道,可把有限的水引向远方。膨润土防水层可用天然钠基膨润土粉直接铺,也可以用膨润土与当地土搅拌夯实,也可以将膨润土夹在两层织物之间形成防水(渗)毯(板),快速修建起储水池、储水窑、输水渠。
5.用膨润土将荒漠土变成节水、节肥的植被土
沙漠里移动的沙中,没有粘粒,粉沙也很少,主要是中、细沙,蓄不了水,可供植物生长的营养成分也很少,治理、绿化、恢复生态平衡很困难。沙漠化土壤的粒径大约在0.01~0.1mm的居多,很松散,易透水。而膨润土的粒径多小于0.002mm,遇水可膨胀10~30倍。因此,在沙土中稍掺加一些膨润土就可以防止水流失,植物就可以生长。
国外治理沙漠化最成功的以色列,把贫瘠的荒漠变成节水、节肥的高产良田。美国亚利桑那州的南端,离墨西哥最近的城市图桑是建在沙漠中的城市,该城市像森林,也像野生植物园。该地年降雨量仅275mm,却能生长成百上千种沙漠植物和生存种类繁多的动物。亚利桑那大学的绿色草坪下有防渗层,也有定时喷水的喷头,既节水又节能。
由于沙漠地区一般日照时间很长,昼夜温差大,能在改造好的节水、节肥植被土上加篷,当年就会有可观的收获。而在飞播植绿时可将种子先用水拌、再用膨润土拌,其出芽率和成活率都会大大提高。膨润土还是各种肥料的很好载体。
6.应用系统工程治理沙漠化
(1)彻底治理沙漠化,必须各地都选好治理点,再以点带面。选点最好离能取水的地点近,离膨润土产地近,以便快速由点推向面,地毯式地向沙漠化中心进展,最先做的是蓄水、修路。
(2)各方参与治沙,利用遥感技术找到地下水,综合利用太阳能、风力发电、新型滴灌材料设备、生物育种等等,对应用膨润土进行沙漠化治理十分有利。可动员、鼓励国内外单位、私人投入创效益,甚至最初可以动员各大城市妇女将穿破的尼龙丝袜收集起来,装进膨润土作水窖防水衬砌等等。
《中国环保产业》杂志2002年7期
2002-08-22 11:41:22
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上海地铁膨润土防水毯
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发布时间:2010-04-17 11:12:59
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详细信息
钠基膨润土防水毯 (GCL)介绍
膨润土防水毯(GCL)是一种介于CCL(现场厚压实粘土防渗衬垫)和高分子材料---土工膜之间的一种防渗衬垫。主要应用于房屋地下室`环境工程中的废弃物填埋场、地下水库、地下基础设施建设等工程中,解决密封、隔离、防渗漏问题,效果好,抗破坏性强。
原理
膨润土的矿物学名称为蒙脱石,天然的膨润土按化学成分主要分为钠基和钙基两大类。膨润土具有遇水膨胀的特性,一般钙基膨润土膨胀时,其膨胀仅为自身体积的3倍左右;而钠基膨润土膨胀时,约为自身体积的l5倍左右,能吸收6倍于自身重量的水,这样膨胀的膨润土所形成的高密度胶体具有排斥水的性能。利用这个性能,我公司用钠基膨润土来做防水材料。为方便施工和运输,将膨润土锁在两层土工合成材料中间,起保护和加固的作用,使GCL具有一定的整体抗剪强度。
改性膨润土在水处理中的应用 1
来源:中国论文下载中心    [ 06-03-05 14:05:00 ]    作者:张军 、张居正、张平    编辑:studa9ngns
论文作者:张军 、张居正、张平、黄东来
摘要:在水处理中,吸附法是一种重要的物理化学方法。研制价格低廉、选择性好、易再生的水处理吸附剂是环保产业发展的急切需要。近年来,对改性膨润土水处理吸附剂的研究已成为废水处理研究领域的热门课题之一。我国天然膨润土资源丰富,探明储量仅次于美国,居世界第二位,现在年开采量约200万t。开发膨润土和改性膨润土水处理剂具有广泛的应用前景。
关键词:膨润土 应用 吸附法
在水处理中,吸附法是一种重要的物理化学方法。研制价格低廉、选择性好、易再生的水处理吸附剂是环保产业发展的急切需要。近年来,对改性膨润土水处理吸附剂的研究已成为废水处理研究领域的热门课题之一。我国天然膨润土资源丰富,探明储量仅次于美国,居世界第二位,现在年开采量约200万t。开发膨润土和改性膨润土水处理剂具有广泛的应用前景。
1 膨润土及改性膨润土
1.1 膨润土的结构和分类
膨润土是一种以蒙脱石为主要矿物的粘土岩,而蒙脱石是含水的层状铝硅酸盐矿物,由两个硅氧四面体层中间夹一个铝(镁)氧(氢氧)八面体层组成,属于2:1型的三层粘土矿物,其组成为(Na,Ca)0 33(Al,Mg)2Si4O10(OH)2·nH2O,在粘土矿物形成过程中,常会发生同晶替代作用,晶体结构层间存在过剩负电荷,能以静电吸附阳离子保持电中性。此外,膨润土具有很大的表面积,巨大的表面积伴随着巨大的表面能,使其具有巨大的吸附能力。依据蒙脱石层间阳离子的比例关系可将膨润土分为钠基、钙基、镁基和铝基膨润土。其中钙基膨润土储量最大,约占总储量的70%~80%。
1.2 膨润土的改性
天然膨润土中由于表面硅氧结构具有极强的亲水性和层间大量可交换性阳离子的水解,使其表面通常存在一层薄的水膜,而不能有效地吸附疏水性有机污染物,限制了在水处理领域的应用。因此,对天然膨润土的改性受到了广泛的重视。通过酸、氧化剂、无机盐等无机物对膨润土进行改性,可明显改善其对有机污染物的吸附性和离子交换性能。目前,在水处理领域应用较多的改性膨润土包括:活化膨润土、有机膨润土、交联膨润土以及有机交联膨润土。
1.3 改性膨润土的吸附机理
1.3.1 交换吸附
吸附质离子由于静电引力作用聚集到膨润土表面上,同时膨润土释放等当量层间可交换性阳离子,完成吸附过程,吸附结合力为离子键。对有机离子吸附质,大分子比小分子更易被吸附,因为有机大离子与蒙脱石作用时不仅阳离子交换起作用,范德华力也起相当大作用,离子越大,范德华力越大,被吸附也越多。
1.3.2 物理吸附
由于废水中的吸附质与膨润土吸附剂间的分子引力作用,废水中待处理污染物被吸附。物理吸附在低温下就能进行,但由于吸附质与吸附剂作用力主要是范德华力,所以吸附选择性不强。一般说来,实际的废水吸附处理中往往是两种吸附机理综合作用,只有在特定废水处理中可能某种是主要的。
2 改性膨润土在水处理中的应用
2.1 处理有机废水
改性膨润土吸附剂可用来处理各类有机废水,可吸附非极性有机物、极性有机物以及各类有毒和难生物降解有机物。吴平宵等用有机交联膨润土处理苯酚废水,发现pH值为10时,室温下以120r/min的速度振荡30min后,水中苯酚的去除率可高达95%以上,比相应的有机膨润土和交联膨润土的吸附去除率有明显提高。吴平宵等还研究了有机交联膨润土的循环再吸附,其研究表明吸附了苯酚的有机交联膨润土能通过500℃灼烧再生。孙家寿等则用有机交联膨润土处理造纸废液。当pH值为4.5,用量为24g/L时,常温处理60min后,对COD的吸附效率达61.5%,吸附容量为549.3mgCOD/g。朱利中等用季铵盐类表面活性剂改性膨润土处理含苯系物、酚类、硝基苯类、苯胺类、多环芳烃等非离子性有机物的模拟废水,认为:(1)有机膨润土层间距和对有机物的吸附量随改性时所用表面活性剂碳链的增长而增大。(2)改性时表面活性剂加入量低于阳离子交换容量(CEC)时,有机膨润土的层间距和对有机污染物的吸附量随加入量的增加而增加;当加入量超过CEC时,层间距、吸附量一般将不再增加。(3)吸附作用主要取决于有机阳离子大小和膨润土的CEC。
国外Smith等研究了长、短两类季铵盐改性的膨润土对水中有机物的吸附分配性质,前者为线性的,后者是非线性的;Smith等还研究了单阳离子、双阳离子改性的膨润土吸附有机污染物的性能。另外,美国ETVerture公司利用胺类聚合物,使膨润土离子表面从亲水性改良成亲油性,生成易溶解烃类的粘土矿物,再结合活性炭,对Tensleep油层的产出水进行处理,能迅速而有效地脱除水中的烃类化合物。
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改性膨润土在水处理中的应用 2
来源:中国论文下载中心    [ 06-03-05 14:05:00 ]    作者:张军 、张居正、张平    编辑:studa9ngns
2.2 去除重金属离子
重金属离子废水主要来源于金属矿山、冶炼、电解、电镀等工业。重金属离子可在水生生物中富集,通过食物链危害人体健康。吸附法是处理含重金属离子废水的一种很有前途的方法。它不仅可以降低水中重金属离子浓度,还有利于回收其中贵重的重金属。膨润土具有较大的比表面积及离子交换容量,吸附性能好,对废水中重金属离子的吸附有着特殊功效。有关研究表明:膨润土对重金属离子有一定的吸附能力,通过膨润土的改性可显著提高其对重金属离子的去除能力。金辉等对钠基膨润土吸附废水中Hg2+的可能性和吸附效果进行了探讨。结果表明:利用钠基膨润土作为吸附剂,用吸附混凝法处理含汞废水有较高的应用价值。膨润土吸附絮凝法对Hg2+有着较好的吸附效果。溶液中投加0.5g膨润土时,吸附容量为0.48ⅹ10-3,且聚氯化铝膨润土在吸附Hg2+时有明显的协同作用。竞争吸附表明膨润土对金属的去除效果依次为Pb、Hg、Cd。孙胜龙等利用改性膨润土对Cr6+进行吸附处理,pH值为6时,去除率大于95%。当高浓度时改性膨润土优于活性碳。吸附机理分为表面络合吸附和层间离子交换吸附,且后者占主导地位。孙家寿等则用铝锆交联膨润土对Cr6+进行吸附处理。当吸附时间为30min,pH值为2.5~3.5,吸附剂用量为12g/LH2O时,吸附效率接近100%。
2.3 处理有机污泥
由于污泥对有机污染物的吸附能力强,采用生物降解或传统的方法难以达到治理效果。若加入对有机污染物吸附能力更强的有机粘土矿物,使污染物重新分配,则有可能去除污泥中有机污染物。有关学者基于这一思路,用一价阴离子表面活性剂改性Fe2O3,将其用于含菲的污泥,菲从污泥中转移到Fe2O3周围的有机相中,再用磁铁将其分离,污泥中菲的去除率可达98%~99%。另外,Irfan等在处理含油污泥时,先通过精制、分离的方法提炼出油类,再利用2.5%膨润土和0.75%草酸液对油类进行脱色,使其成为可利用的油品。
2.4 脱色
印染废水是一种较难处理的工业废水,近年来改性膨润土对印染废水的脱色处理取得了一定进展,吸附机理主要是物理吸附。陈天虎等报道,经钠化和无机聚合物改性膨润土吸附剂在投加量为0.1%时,处理红色印染废水脱色率达88%以上,处理蓝色废水脱色率达98%。冀静平等用钠化和羟基铁改性的膨润土吸附剂在投剂量为5~6g/L时,处理酸性大红COD去除率达45%,活性鲜红COD去除率为71%,酸性黑COD去除率达60%。杭瑚等的研究表明,使用0.01%膨润土加0 005%的聚合氯化铝,可使以阳离子为主的印染废水脱色率达94%~100%。
2.5 除磷
水体中磷含量过高会引起富营养化,严重时藻类疯长、水体发臭、鱼类死亡,严重影响水体环境并给人类带来直接经济损失。对含磷废水的净化多采用化学法或生物法。前者虽然去除效率高,操作稳定,但产生污泥多,运行费用高;后者操作比较复杂,去除效率低。近年来对改性膨润土吸附剂的研究为废水脱磷提供了一条新途径。孙家寿等人采用铝交联蒙脱石吸附脱磷,当吸附剂用量为9g/LH2O时,对磷吸附剂量为5 56mg/g,去除率可达100%。
2.6 地下水修复
欧美国家20世纪70年代以来,在地下水污染治理技术上取得了很大的进展。采用季铵盐类表面活性剂改性的膨润土和土壤比天然粘土矿物和土壤去除有机污染物的能力高出几十至几百倍,能有效遏制有机污染物在环境中的迁移,是一种简单、有效、经济、实用的环境修复工具。目前,国外有的学者利用膨润土等粘土矿物易于形成有机粘土的性质,模拟含有机污染物的土壤和蓄水层的环境,在其中加入季铵盐阳离子表面活性剂,使其形成有机污染物的吸附区,可以有效地截住流动的有机污染物,将有机污染物固定在吸附区,从而控制污染物在地下水中的迁移。再利用自然界中存在的微生物或化学方法降解或除去富集在吸附区的有机污染物,彻底消除地下水的有机污染。
3 结语
膨润土在国内外已经研究多年,取得了一定的成果,但在水处理中的研究才开始不久,而且这些研究仅仅局限于实验室阶段。目前。尚未见到改性膨润土在水处理中实际应用的公开报道。将来,提高改性膨润土对特定污染物吸附的选择性,找到合适的再生方法是下一步研究要解决的问题。另外,要开发完善改性膨润土吸附法水处理工艺,解决在实际应用中改性膨润土吸附性能可能受到其它污染物干扰的问题。尽管如此,通过前人的研究,我们仍然可以看出,改性膨润土作为水处理材料具有以下几点:(1)储量丰富,价格低廉;(2)制备方法简单;(3)具有较高的化学和生物稳定性;(4)容易再生。因此,它作为取代传统水处理材料的一个理想选择,必将得到广泛的应用。
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