超细滑石粉材料在水处理中的应用

发布时间: 2014-01-22

一、处理造纸废水

    造纸废水主要来自造纸工业生产中的制浆和抄纸生产过程,主要成分是木质素、纤维素、挥发性有机酸等,具有污染物浓度高,排放量大,难降解,可生化性差等特点,是较难处理的工业废水之一。造纸废水常用的处理方法是混凝法,该法适应性强、设备简单、操作方便,但存在成本高、污泥产生量大等缺点;另一种方法是生物法,它具有无二次污染、处理费用低等特点,但不能彻底降低有机污染物的含量。近年来,国内外学者有将滑石粉作为助凝剂、混凝剂、助滤剂处理造纸废水的应用研究。

    
二、处理含油废水
    
含油废水主要来源于石油工业,钢铁,煤气工作站,机械工业的冷却润滑液等,废水中油面的覆盖使水体丧失自净能力,破坏水中生态平衡,不仅危害人体健康,而且影响农作物的生产。目前,气浮法是处理含油废水的主要方法,但该方法能耗高、絮凝剂用量多且占地面积大,其他方法如电化学法、吸附法[18,19]等也存在着运行费用高、适用范围小等缺点。近年来,一些学者对滑石粉作为吸油剂的研究为处理含油废水提供了一条新途径。余仁焕等[20]考查滑石用量、粒度这两个因素对充气旋流器的净化含油污水的效果。结果表明,滑石粉(150g/m3 细度为0.074mm81%时,除油率达到78.30%,滑石粉对充气旋流器的除油效果显著,与不投加滑石粉相比,除油率提高约5%。还有研究学者[21]考查在不同条件下滑石粉处理含油废水的效果。结果表明,在20℃,滑石粉投加量为20g/L,慢速搅拌15min 条件下,汽油COD 去除率为97.8%,柴油去除率为81.5%。滑石是天然的疏水亲油矿物,能促进疏水亲油颗粒在油水中分离,故可将滑石粉作为吸油剂处理含油废水。

    
三、处理染料废水
    
染料废水组分复杂、色度深,对环境造成严重污染。阳离子染料废水中由于含有复杂的芳香基团而难以生物降解脱色,可生化性差[22],所以染料废水不易治理。染料废水传统的处理方法(过滤、混凝等)只是将污染物由液相转化成固相或气相,并未将污染物完全去除,且易造成二次污染。因此,有关本低、效果好、绿色环保的治理技术正在不断开发。
    
冯云姝等考察滑石粉投加量、染料废水浓度、慢速搅拌时间、温度等因素对阳离子染料亚甲基蓝、结晶紫、中性红的吸附效果的影响。结果表明,在25℃,滑石粉投加量为10g/L,慢速搅拌10min时,染料废水(0.015g/L)中种阳离子染料脱色率均大于99%,其中,温度变化对阳离子染料废水脱色效果无显著影响。Liu [25]考查改性滑石粉对阳离子染料亚甲基蓝的去除率,结果表明,40℃时,浓硝酸浸泡滑石,以200℃煅烧2h时制得改性滑石粉对亚甲基蓝的吸附率为84.6%。由此可见,滑石粉处理阳离子染料废水脱色率较高,主要有以下原因:①滑石端面在水或空气等的作用下形成活性官能团OHSi—OSi—OHMg—O,染料中的阳离子被这些活性官能团吸附;②滑石中镁氧八面体中存在OH—Mg—O OH—Mg—OH,当半径与Mg2+相近的阳离子与滑石接触时,这些离子可以从配位八面体中置换出Mg2+,故可去除水中阳离子。

    
四、处理芳香族有机废水
    
随着石油化工,塑料等工业的发展,工厂排放的含有苯、甲苯、酚类等芳香族化合物的废水越来越多,该类废水污染物结构稳定,难降解,目前,处理芳香族有机废水的方法主要有Fenton 试剂高级氧化法和液膜技术分离法,前者虽然操作方便、反应快速,但运行成本较高,在国内较少应用;后者使用的液膜易老化,也存在着膜污染及费用昂贵等问题。Hashizume考查滑石粉对废水中苯和甲苯的吸附情况,并将吸附效果分别与蒙脱石和介孔硅材料进行比较,结果表明,滑石粉在5h 内完全吸附苯和甲苯,但对甲苯的吸附性更好,二者等温吸附线为直线,滑石粉对苯和甲苯的吸附效果与改性蒙脱石相当,但优于介孔硅材料。Arseguel 等将辣根过氧化酶或过氧化氢偶联剂对滑石粉进行改性,考查改性滑石粉对水中酚类物质的去除情况。结果表明,在滑石粉的粒径大小、数量及作用时间等最佳条件下,此方法可以有效净化污水中的酚类物质,改性滑石所表现出的吸附性使生物催化剂不受污染,延长了催化作用,是去除水中含有酚类污染物的有效方法。Sener 等考查超声处理滑石粉对废水中多环芳烃萘的吸附效果。结果表明,改性滑石粉对萘的吸附等温线符合Langmuir Freundlich 方程式,但对Freundlich等温线的符合效果更好,对萘的吸附容量由276mg/g 提高到359mg/g,吸附效果不受水溶液中pH 值的影响,吸附动力学符合拟二阶动力学方程。滑石粉可用来处理芳香族有机废水,主要因为其表面硅氧结构具有疏水性,使其极易与非极性的有机分子(例如苯)发生中性吸附。偶联剂或高能量超声改性滑石粉后可增强其表面活性,提高其疏水性质,可有效吸附有机分子污染物。

    
五、处理重金属离子废水
    
重金属离子废水对自然环境和人类健康有很大的破坏性,目前,国内外处理重金属离子废水主要有离子交换法,超滤法,电解法,电渗析法等,对于重金属污染水体的处理技术,大部分仍存在成本高,易造成二次污染等问题。从环保和经济效益角度出发,对重金属废水的处理方法探寻迫在眉睫。有研究表明,滑石经超细粉碎后,ζ 电位负值更大,表面活性增强,这表明滑石吸附重金属的可行性。

    
魏林以动态吸附的实验方法研究滑石粉对水中Cu2+Pb2+Cd2+吸附效果。结果表明,滑石对这种重金属离子的吸附等温线符合Langmuir Freundlich 方程式,在种重金属离子初始浓度等同时,吸附能力由大到小的顺序为Pb2+Cu2+Cd2+,最优条件下,Pb2+去除率为99.95%Cu2+去除率大于98%Cd2+去除率为99.9%。但是笔者并未考查滑石粉对各个金属离子不同初始浓度的吸附效果的影响,也未考虑滑石粉的回收和再利用等问题。Chandra [33]研究了滑石对水中Pb2+的吸附行为,探讨了吸附剂量、温度等因素对吸附效果的影响。结果表明,滑石对Pb2+的吸附等温线符合Langmuir 方程,吸附过程中焓变ΔH0,表明Pb2+的吸附是一个放热的过程,自由能ΔG0,表明该反应是自发的,由此可见,滑石对水中Pb2+有良好的吸附作用。王健[34]考查滑石粉(200目)对不同浓度Zn2+10100400mg/L)的去除率的变化。结果表明,Zn2+3种初始浓度下的去除率依次降低,分别为97%28%21%,滑石对Zn2+这一作用过程比较缓慢,随着溶液pH 的增大,滑石吸附Zn2+的速率加快,吸附率也相应升高。滑石是天然矿物质的一种,天然矿物质在处理重金属离子废水中发挥重要作用。Rashed[35]研究了pH值、天然矿物(滑石、黄铜矿、重晶石)的粒径大小、吸附时间等因素对水中Pb2+的吸附效果,结果表明,吸附等温线符合Langmuir Freundlich 方程式,当pH值为79时,吸附平衡时间达72h后,Pb2+的去除率随着天然矿物量的增加而增加。随着核技术的应用及含铀磷肥的使用,重金属铀的污染也越来越严重,Sprynskyy [36]以动态吸附实验研究多种条件下滑石对水溶液中铀的吸附效果。结果表明,一级动力学模型能够很好地描述铀离子在滑石上的动力学吸附行为。铀的初始浓度较低(10mg/L)时,属于单分子层吸附,实验中滑石的比表面积(3.5m2/g)较小,不足以吸附水溶液中的铀,当滑石的比表面积为58.3m2/g 时,铀的最大吸附容量为41.6mg/g,该实验还表明了水溶液中存在的其他重金属离子也会影响滑石对铀的吸附。滑石粉对重金属离子废水的吸附作用,主要是因为其结构中内羟基具有很强的化学活性,与重金属离子结合组成可变电荷表面,发生配合反应,使重金属离子在滑石表面富集,最后去除废水中的重金属离子。