水处理设备专用药剂：膨润土（蒙脱石）及其改性水处理剂

    膨润土又名膨土岩、斑脱岩，有时也称白泥，通常为白色，也有浅灰、褐红等其他颜色，主要是由蒙脱石类矿物组成的黏土。

    (Na,Ca)o石的晶体结构，由两层硅氧四面体晶片中间夹一层铝氧八面体晶片组成，其组成为(Na'ca)o．33 (AI,M9)2S14010 (OH)2。nH20，属2:1型层状硅酸盐矿物，在黏土矿物的形成过程中’常会发生阳离子异价类质同晶替代作用，如硅氧四面体中Si4+被Al3+替代，铝氧八面体中Al31-被Mg2+替N。晶体结构层间存在过剩负电荷，需吸附阳离子来保持电荷的平衡。被吸附的阳离子通常为Na+、Ca2+、K+、Mgz+、Al3+、H+、Li十、Cs+.Rb+.NH4+等。因异价类质同晶（象）替代产生的负电荷大部分分布在片状硅铝酸盐的层面上，且与矿物层面上吸附的阳离子距离较远'吸附的阳离子与晶层间常被水分子所隔，两者结合较松弛，阳离子脱离和吸附所需能量较低，也较自由。因此，这些被吸附的阳离子可以被置换，这是蒙脱石矿物具有阳离子交换性的本质。层间阳离子的可交换性，是膨润土的重要特性之一，此外膨润土具有很大的比表面积，巨大的比表面积伴随若巨大的表面张力（表面自由能），使其具有巨大的吸附能力。这些特性使膨润土作为污水净化材料，可与水体中的有毒有害金属离子、无机或有机污染物以离子交换或吸附的方式结合在一起，然后将这些物质从水体中分离出去，达到水质净化的目的。

    ①有机膨润土。有机膨润土是通过在膨润土表面用有机离子（典型的为季铵离子）交换非有机离子（如Na+、H+）得到的。有机膨润土的矿物表面是有机相，按照“相似相容”原理，有机膨润土要比活化膨润土对有机污染物具有更强的吸附能力。目前，常见的有机膨润土是由钠基膨润土经表面活性剂类有机覆盖剂改性而得的。在改性过程中，有机阳离子可与蒙脱石层间的无机离子交换形成以离子键为主的有机复合物，即有机膨润土。根据改性时所用表面活性剂的不同，可分为单阳离子、双阳离子、阴一阳离子、有机膨润土等。其中，对单阳离子有机膨润土的研究最多，经表面活性剂改性制得的该类有机膨润土，因其碳含量增加，疏水性能得到改善，因此处理有机污染物的能力大大提高。

    ②交联膨润土。交联膨润土就是用人工加工的方法，用带正电荷的交联剂代替蒙脱石层间可交换的阳离子，将其2:1单元层桥联撑开，形成一种二维通道（2:1单元层为“板”，交联剂为“柱”）的层柱状结构的新矿物，其层间砸、柱间距可根据需要调节。常用的交联剂为无机金属阳离子（如Al3+、Fe3+、N12+、Cr3+、2r3+、Ti4+等）水解产生的金属羟基阳离子，也称多聚羟基阳离子。这些多聚羟基阳离子一般呈平面状，厚度约0. 5～0. 6nm，通过离子交换后进人蒙脱石层间，并进一步在其中水解成“交联柱”，使蒙脱石层间距增大。交联膨润土的孔径可调，分布均匀，具有较好的吸附性能，可用于水中离子、非离子型污染物的去除。    ‘

    若将有机物引入交联膨润土层间，可得到孔径更大的有机交联膨润土，其吸附性能也将进一步改善。

    1．膨润土的改性我国的膨润土资源丰富，但天然产出的钠基膨润土量少，绝大多数天然产出的膨润土为钙基膨润土。钠基膨润土的物化性能较钙基膨润土好，所以通常需将钙基膨润土改性为钠基土，以提高其理化性能。

    天然膨润土（包括钙基土和钠基土）虽然具有较大的比表面积和阳离子交换容量，吸附性能较好，但膨润土表面硅氧结构极强的亲水性及层间阳离子的水解，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的有机污染物，从而限制了膨润土在环保领域的应用。目前，用于废水处理的膨润土都经过了一次或二次改性处理，以提高其吸附能力和阳离子交换钝力，亦即提高其污水处理的能力。

    膨润土的改性方法主要有两种：一是活化法；二是添加无机或有机化合物改性剂改性。通过不同的改性方法可分别制得活化改性膨润土、有机膨润土和交联膨润土。

    (1)活化改性膨润土。活化膨润土的方法较多，常见的有焙烧法、酸化法、钠化法等。

    ①焙烧法活化膨润土。这种方法是将膨润土置于450℃下焙烧2h。结果表明，膨润土的比表面积比原土增加了1倍以上，达到120. 24m2/g，焙烧还使得膨润土的表面吸附水、层间水及空隙中的一些杂质得以去除。膨润土的吸附能力和阳离子交换能力均有较大的提高。

    ②酸活化膨润土。用酸活化法处理膨润土，可去除分布于蒙脱石结构通道中的杂质，有利于吸附质分子的扩散。其次，H+的半径小于K+、Na+、Ca2+、Mgz+等离子的半径，用H+置换层间的K+、Na+、Ca2+、Mg2+后，使孔容积得到增大，并削弱了原来层间的键力，层间晶格裂开，孔道被疏通，阳离子交换能力得到提高。

    ③钠化膨润土。该方法是用Naz C03或Na3 P04溶液对膨润土进行活化处理。不过，添加Na2C03时，CO32-易与被交换出来的多价金属离子（Ca2+、Mg2+等）生成碳酸盐类的凝胶，从而使黏度进一步提高，并阻塞层间通道，使分选与进一步离子交换更加困难，因此钠化效果较差。

    但当使用Na3 P04作为改性剂时，磷酸根P03+阴离子易与蒙脱石端面的正电性边缘吸附形成负电性边缘。如此，使晶片端面均为负电性，晶片间相互排斥，在水介质中变为低黏度、高分散的稳定悬浮体。黏度降低时，电性改变与杂质矿物相互排斥，从而容易得到分离，且Na+也因此更易于扦人层间实现离子交换。磷酸盐（特别是焦磷酸钠及多聚磷酸钠等）不仅是一种分散剂，而且也是一种优良的螯合剂，其螯合作用是由大分子的磷酸根离子提供的。当蒙脱石层间多价金属(M)阳离子被交换出来后，磷酸根离子立即将交换出来的M离子螯合起来，从而制止了M离子再与溶液中可能存在的其他阴离子反应。同时也制止了M离子再参与交换反应（逆反应），保证了离子交换反应不断地向右进行，完成彻底钠化。

    (2)有机改性。未改性蒙脱石层间是水合的Na+、Ca2+等可交换阳离子，这种亲水的环境不利于亲油性有机化合物的吸附。不过，可用有机阳离子去改变蒙脱石片层昀极性，降低硅酸盐片层的表面能和撑大蒙脱石层间的距离，以增加两性间的亲和性。

    2．改性膨润土在污水治理中的应用  到目前为止，改性膨润土在各类废水处理尤其是工业废水处理中的应用均有研究，概括起来改性膨润土可去除水体中的重金属离子、芳香族化合物、有毒且难生物降解的有机物，还具有脱色、脱磷、除臭等作用。

    (1)去除重金属离子。膨润土之所以能去除水体中的重金属离子，是基于蒙脱石层间所吸附的阳离子与水体中重金属离子的交换作用。改性膨润土阳离子交换容量(CEC)越大，则去除重金属离子的能力应越强。

    (2)去除有机污染物。有机膨润土较活化膨润土去除有机污染物的能力更强。这是因为，其一有机膨润土可利用季铵离子的非极性脂肪链端溶解（萃取）有机物，二是被吸附有机物分子可使蒙脱石层间距增大，使蒙脱石层间对有机物进一步吸附。对于离子型的有机污染物，吸附作用仍以离子交换作用为主。

    (3)脱色。活化膨润土、有机膨润土均不能有效降低污水的浊度，但可以去除污水的色度。总之，膨润土作为污水处理剂，具有诸多优点：储量丰富，价廉易得；活化改性方法简单；可去除水中无机、有机污染物；具有较高的化学和生物稳定性。因此，系统深入地研究膨润土昀改性方法、改性机理、结构、性能及其在废水处理中的应用，将对进一步开发新型改性膨润土及其在环境保护，特别是污水处理及环境修复中的应用具有重大意义，并为充分开发利用我国丰富的膨润土资源，提供了较为广阔的途径。

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