凹凸棒石粘土吸附性能研究概况

1、 凹凸棒石粘土吸附性能研究概况 摘 要 概述了凹凸棒土的基本特性(吸附特性、流变学特性、可塑性等) 及其在采矿、建材、化肥、环保、农药、涂料等行业中的应用，并简述了凹凸棒石和改性凹凸棒石对不同物质的吸附规律。 关键词 凹凸棒土 、 改性凹凸棒土 、 磷酸盐 、 铀 、 前景展望 Summary on the Adsorption Performance of Attapulgite Clay Abstract：This paper summarized the basic characteristic of attapulgite (adsorption characteristic rheo

2、logical properties plasticity, etc) and its application in many industies such as mining materials industry, chemical fertilizers, environmental protection, pesticides coatings.Besides, we sketched the adsorption rule of the attapulgite and modification of attapulgite for different substances.Key wo

3、rds：attapulgite, modified attapulgite clay , phosphate , uranium , prospect forecast contents1. Introduction2. Fundamental characteristics2.1 Composition and structure2.2 Absorption characteristics2.3 Plasticity2.4 Chemical characteristics3. Application and research status3.1 The application of the

4、building materials industry3.2 The application of light industry3.3 The application of textile industry3.4 The application of washing agent4. Modification of attapulgite research4.1 Attapulgite pretreatment4.2 Acid modified 4.3 Organic modified4.4 Other modification methods5 Attapulgite clay applica

5、tion in water treatment5.1Treatment of organic wastewater5.2 Treatment of wastewater containing heavy metals5.3 Special media processing6 Attapulgite clay adsorption6.1 Attapulgite clay adsorbent in addition to phosphate6.2 Attapulgite clay in addition to uranium research7 Conclusion 1. 引言 凹凸棒粘土是指以凹

6、凸棒土为主要矿物成份的一种天然非金属粘土矿物，在矿物学上隶属于海泡石族，它是一种晶质的水合镁铝硅酸盐矿物呈土状、致密块状，产于沉积岩和风化壳中，颜色为白色、灰白色、青灰色、灰绿色或弱丝绢光泽，土质细腻，有油脂滑感，质轻、性脆，吸水性强，湿时具粘性和可塑性。由于其具有特殊的物化工艺性能如胶体性、吸附性和粘结性等，被广泛应用于各工农业领域。凹凸棒石粘土具有较强的吸附脱色能力和良好的吸附容量，在废水处理和废气处理中具有很大的应用潜力。在我国，凹凸棒石粘土具有资源丰富，价格低廉的特点，因此研究凹凸棒石粘土的性质，开发利用高附加值的凹凸棒石粘土很有必要。含磷废水的大量排放引起水体富营养化，破坏了水体生态

7、的平衡， 使水质恶化，严重危害到自然界的动、植物的生长和人类饮用水的水质，所以凹凸棒石粘土在水处理应用中的实用性得以发挥。由于凹凸棒粘土特殊的结构特征和吸附性能，使其有可能应用于含放射性元素的废料、废水和废气的处理， 可对放射性元素进行永久性吸附。本文简单介绍了凹凸棒石的组成和一些特性，并初步研究了经过一定处理的凹凸棒石对不同物质的吸附性能。2 基本特性2.1 组成及结构凹凸棒土原土中含有70 %80 %的凹凸棒土，10 %15 %的蒙脱土和海泡石，4 %8 %的石英，1 %5 %的方解石或者白云石，在加工的过程中非粘土成分被除去。因此，最终的的产品中含有85 %90 %的凹凸棒土。 1940

8、年Bradley1首先阐明了凹凸棒土的结构：他认为凹凸棒土的典型化学式为Si8Mg5O20 (OH) 2(OH2 ) 44H2O，据国外矿物分析，凹凸棒土的化学成分质量分数为:SiO2 53. 61 % ，Al2O39.29% ，Fe2O33.1% ，TiO2 0. 39 % ，MgO 13. 20 % ，CaO 0. 2 % ，Na2O0. 04 % ，K2O 0. 25 % ，H2O 19. 8 %。它是一种具有纤维状或链状结构的水合镁铝硅酸盐，其结构可分为3 层。上下两层是硅氧四面体结构，中间是一层Mg- O - 八面体。由于结构中存在晶格置换，故晶体中含有不定量的Na + 、Ca2 +

9、 、Fe3 + 、Al3 + 。2.2 吸附特性凹凸棒土的吸附性取决于它较大的表面积和表面物理化学结构及离子状态，其吸附作用包括物理吸附及化学吸附。物理吸附的实质是通过范得华力将吸附质分子吸附在凹凸棒土的内外表面。凹凸棒土的化学吸附作用是其吸附作用的重要体现。其吸附是基于凹凸棒土的表面可能存在的几种吸附中心2：(1) 硅氧四面体层内因类质同晶置换产生的弱电子供给氧原子，它们与吸附核的作用很弱。(2) 在纤维边缘与金属阳离子(Mg2 + ) 配位结合的负水分子(OH2-) ，它可以与吸附核形成氢键。(3) 在四面体层外表面上由Si - O - Si 桥氧键断裂形成的Si - OH 基不仅可以接受

10、离子，而且可以与晶体外表面的吸附分子相互结合；可以与某些有机试剂形成共价键。(4) 晶体化学成分的非等价类质同晶置换(Al3 + 或Fe3 + 对Mg2 + ) 及加热造成的配位水(H2O-，OH- ) 失去而产生的电荷不平衡形成的电性吸附中心。 凹凸棒土的吸附性决定了它在工业上可作为除臭剂、净化剂、吸附剂、载体、助滤剂。凹凸棒原土具有很高的吸附性，可以吸附自重100 %的水。2.3 可塑性粘土的可塑性与它的吸水性有密切的关系。人们详细研究了凹凸棒土及其他粘土的可塑性及吸水性。当水的质量分数达到其自重的100 %时，凹凸棒土达到其塑性极限。因此可以说其塑性指数范围是1100。然而，由于组成的变

11、化，塑性指数通常在57123 之间变化。一般来说，除了蒙脱土以外，凹凸棒土的吸水性及可塑性高于其他粘土。2.4 化学特性凹凸棒土的一个最有价值的特点是它的化学惰性。凹凸棒土胶体悬浮液受盐的影响很小。例如:在100 ml 水中含有50 g 凹凸棒土的胶体悬浮液，当其中的盐达到饱和浓度时(NaCl 质量分数为35 %) ，其粘度丝毫不受影响，然而，若其中的凹凸棒土的含量较低时，粘度会略有下降。悬浮液于电介质中不絮凝沉淀，其他的电解质如氨水、氢氧化钠、氯化钾、无机的磷酸盐对凹凸棒土的影响很小；因此，凹凸棒土被广泛的用于液体肥料、乳胶涂料、钻井泥浆和其他需要用到高浓度的电解质的体系中作为增稠剂和稳定剂

12、。少数情况下，低质量分数( 70 %，色度去除率 90 % ，优于常见的无机混凝剂。魏凤玉等人研究表明，以凹凸棒石粘土为主要原料制成的吸附剂对癸二酸单钠盐溶液具有较好的脱色效果，并对萃取后的癸二酸生产废水有较好的吸附处理效果15。在选定的条件下，其脱色率达85. 3 % ，癸二酸单钠盐产率达92. 0 % ，比活性炭脱色时产率提高约12 % ，该吸附剂经过脱色、再生可反复使用12 次,其脱色率无明显下降,总损失率仅为3. 3 %，且再生操作方便简单、劳动强度低，可望代替活性炭脱色。对萃取后的癸二酸生产废水进行吸附时，COD 和酚类的去除率分别达到99. 3 %和99. 2 % ，吸附等温线符合

13、Freundlich 吸附等温式。研究还发现,凹凸棒石粘土对植物油16、工业粗油酸17和食用油18等油类都具有较好的脱色效果。范文元等人认为，凹凸棒石吸附剂对水吸附选择性比乙醇要强，而且经典的吸附理论已不能对该吸附过程进行完整的描述19。5.2 重金属废水处理经研究人员研究得凹凸棒石粘土可用于处理含有重金属离子的废水。赵彩荣等人研究表明，在pH = 1 的含Cr6 + 废水中加入质量分数为8 %的经活化的凹凸棒石粘土，20 下搅拌60 min，Cr6 + 的净化率达99. 75 %，滤液中残留的Cr6 + 质量浓度为0. 18 mg/ L，达到国家排放标准，其吸附等温线符合Freundlich

14、 吸附等温式20。张宇等人利用活化过的凹凸棒石粘土粉末处理含镍废水时发现，当W ( 凸) W ( 水) 为11 500 时， 吸附率已达100 %，处理同量的废水，凹凸棒石用量少于硫铁矿和改性的膨润土，由于凹凸棒石价格更低，所以更有实用价值，另外还发现，凹凸棒石粘土吸附含镍废水时，其适用pH 范围很广21。5.3 特种介质的处理有关研究人员发现凹凸棒石粘土对某些特种工业废水亦具有较好的处理效果。朱振海等人研究发现，当去毒吸附剂凹凸棒石用量为1. 6 %时，对含毒(黄曲霉毒素B1，即AFTB1) 质量分数为50 10 - 9250 10 - 9的菜籽油净化，净化油中残留AFTB1 5 10 -

15、9 (阴性)，当凹凸棒石用量为3. 2 %时，对含毒质量分数高达500 10 - 9级的油品，也可使其呈阴性22。凹凸棒石对含毒在不同质量分数下油样的脱毒净化，阳性与阴性临界值上的统计分析，是两条直线回归线，相关系数为1，呈正相关变化。凹凸棒石去毒吸附剂对含AFTB1 的油品选择吸附性强，在含毒浓度高的情况下，一次去毒净化，即可达到国家卫生标准，同时又可实现脱色、脱臭的效果23。宋金如等人研究凹凸棒石粘土吸附铀的性能，并采用交换柱，处理了实验室含铀废水，使铀的去除率达到99. 5 %，不仅排放液中铀的残余浓度小于国家规定的排放允许量(0. 05mg/ L)，而且柱上的铀可用质量分数为5 %的H

16、Cl解析，用化学法回收，交换柱液可反复使用，吸附等温线也符合Freundlich 吸附等温式，该方法操作简单，成本低廉，有可能处理大量含铀废水23。6 凹凸棒石粘土吸附作用6.1 凹凸棒石粘土吸附剂除磷酸盐（1）温度的选择 根据有关研究人员对凹凸棒石粘土的热分析结果得出在100-200之间，其沸石水和吸附水脱出；200-300之间结晶水脱出；400-500之间其内部的结构水脱出，由实验数据得，经300热处理的粘土样对PO43-的去除率是最高的。在此温度下，凹凸棒石粘土吸附水、沸石水和结晶水的脱出对该吸附是有利的，所以此试验的条件下，确定的最佳除磷的粘土热处理温度为300。（2）吸附剂的选择 本

17、试验研究人员所用的凹凸棒石粘土有两种形态： 一种呈灰白色，（称中层土）一种呈灰绿色，（称浅层土）。试验取烘干的浅层土和中层土进行了除磷的对比试验。从相关资料可知， 中层土磷的去除率远高于浅层土。据有关资料介绍， 凹凸棒石粘土的颜色是随其杂质含量的增多而变化， 即从浅灰色、浅绿色到浅褐色。因此， 从浅层土和中层土的颜色上看，中层土中的杂质含量少于浅层土，因而其对磷酸盐的吸附性能优于浅层土。（3）碱处理对除磷的影响由实际应用的可行性和粘土样性能的稳定性，实验中研究人员选取3mol/L的NaOH处理过的粘土样作为除磷吸附剂。 6.2 凹凸棒石粘土除铀研究图3 酸活化凹凸棒石粘土对铀的吸附性能由图3可

18、知，凹凸棒石粘土用一定浓度的HCl处理后对铀的吸附能力提高，这是因为HCl可以去除粘土中酸溶性矿物如碳酸盐以及活化了晶体内外表面，使比表面积增大， 表面活性点增加，5HCl活化样品吸附性能最好去除率达到92.8。当酸的浓度过低时， 粘土中酸溶性矿物溶解不完全， 酸的浓度过高时，晶体结构遭到破坏， 比表面积又降低， 吸附性能下降。 图4 热活化凹凸棒石粘土对铀的吸附性能从图4 可见， 热活化凹凸棒粘土也可以改善对铀的吸附性能，热处理时，可以除去粘土中的沸石水和部分结晶水，使比表面积和孔隙度增大，提高吸附性能，400下热活化样品吸附性能最好。温度过低除水不完全， 比表面积增加不大， 过高晶体破坏，

19、孔道塌陷， 比表面积下降， 吸附性能降低。铀的去除率达到94.95两种处理均比原粘土地去除率为高。7 结束语 尽管凹凸棒石粘土由于形成原因不同而存在不同的类型，每种类型的粘土矿的含量、物理化学性能、应用的侧重点均不相同，但是，凹凸棒石粘土在总体上是一种具有特殊结构和性能、应用领域广泛的粘土，是一种重要的稀有粘土矿。由于各种因素的影响，我国的凹凸棒石产业没有得到充分发展，可是现在历史给予我们一个千载难逢的机遇，我们应该抓住机遇，迎接挑战，充分利用我们的自身优势，借鉴国外研究成果，积极促进凹凸棒石粘土矿深加工的发展。在应用开发过程中将科研与生产紧密结合，使科研成果尽快转化为生产力，转化为商品。 参

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