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| 海泡石在环境治理领域的应用 |
| 来源：中国粉体技术网 更新时间：2016-01-08 09:36:34 浏览次数： |
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环境矿物材料因具有资源丰富、价格低廉等优点成为近年来国内外研究工作者的热点。环境矿物材料可定义为由矿物及其改性产物组成的与生态环境具有良好协调性或直接具有防治污染和修复环境功能的一类矿物材料。利用环境矿物材料如活性炭、海泡石、蒙脱石、硅藻土等吸附处理废水已得到越来越广泛的应用，并取得了很好的效果。由于坡缕石、海泡石、沸石、膨润土、累托石等为典型的天然纳米粘土矿物材料,基于其特有的孔道结构、晶体表面生长缺陷的发育和纳米级尺寸效应,经充分分散处理后具有大比表面积和超强吸附性。海泡石作为一种新型的矿物原材料,在我国河南、湖南、湖北、安徽和河北均有丰富的储量。主要成分为SiO2、MgO和H2O，相对密度2.4～2.6，外观为灰白色束状纤维或粉末。海泡石无毒无味，具有较高的热稳定性，特别是贯穿整个结构、截面积为0.36nm×1.06nm的管状通道和孔洞，使其具有高达900m2/g的比表面积，具有很强的吸附能力，可以吸附大量的极性物质。
海泡石是一种富镁纤维状硅酸盐粘土矿物，结构通式为是Si12O30Mg8(OHF)4· 8H2O，是目前比表面积最高的天然无机矿物质。海泡石本身的特殊结构决定了它具有3种特性，即吸附性、流变性和催化性。海泡石具有有很好的吸附、流变、催化、阻燃、耐腐蚀等性能。基于这些特性，海泡石已广泛应用在化工、医药、环保、军事、冶金、石油、建材、食品加工、农业等部门。据目前国内外的资料统计，海泡石的用途达130多种，成为世界上用途最广的矿物原料之一。
海泡石由于独特的晶体结构而具有比表面积大、吸附性能好和离子交换能力强的特点，并且价格低廉，储量丰富，加工处理工艺相对简单，应用于环境保护，具有投资少、处理效果好且无二次污染等优点，因此在环境治理方面有广阔的应用前景。
1 废水处理
1.1 重金属废水
改性海泡石吸附重金属离子的主要形式为表面络合吸附和离子交换吸附。海泡石经改性后其网状孔径变大，表面更多的酸性羟基暴露出来，这些羟基和水分子可与重金属离子络合，这种吸附属于表面络合吸附。在吸附过程中，重金属离子与改性海泡石中可交换的阳离子发生离子交换反应，这种吸附属于离子交换吸附。改性后的海泡石对重金属离子有较好的吸附性，如用1.0 mol/L的HCl溶液对海泡石处理后再在450℃下灼烧而得的改性海泡石对电镀废水中重金属离子Pb2+、Cu2+、Cd2+有很好的吸附能力，处理后的废水中重金属离子含量达到国家排放标准；用HCl溶液浸泡后再在420℃下烘烤改性后的海泡石，用于含Pb2+、Cd2+、Hg2+等重金属离子冶金废水的处理，去除率达100%，处理后的废水中含量明显低于国标GBJ4-73中容许的最高排放浓度；经酸改性后的海泡石可有效去除工业废水中Pb2+、Cu2+、Cd2+、CO2+、Zn2+金属阳离子，吸附力的顺序为Cu2+> Zn2+> Cd2+> Pb2+=CO2+，处理效果达到国际排放标准；酸和离子改性的海泡石对工业废水中的微量重金属离子吸附效果好，吸附容量为Cd2+> Cu2+> Zn2+> Ni2+，对于Cd2+离子的吸附量达到8.26 mg/g，达到净化的目的；用Fe3+对海泡石进行改性后，可有效地吸附去除水中的负离子，如铬、砷离子，对铬离子的吸附效率达到92%，同时表明它对氯离子也有较高的吸附效率；用FeCl3改性的天然海泡石对砷的去除率大于95%，处理后的水中砷含量低于0.05 mg/L国际饮用水标准。由研究结果表明，海泡石在处理含有害离子废水方面有很好的应用前景，特别是经Fe3+改性的海泡石为重离子废水的处理提供了一条有价值的途径。
1.2 有机废水
海泡石结构中存在两个吸附位，一个是硅酸盐外表面的硅烷醇基团形成的中性吸附位，另一个是用低价金属离子替代Si4+形成的负电吸附位，这两种吸附位在海泡石上的分布使得它对中性有机分子或有机阳离子有很强的吸附能力。
经研究发现，天然海泡石用1%(Wt)稀盐酸改性并在100℃下烘干后处理一价有机阳离子亚甲基蓝(MB)和结晶紫(CV)以及二价有机阳离子甲基绿(MG)，MB和CV的最大吸附量，分别达到海泡石阳离子交换容量(CEC)的4.1倍和5.3倍；而MG的最大吸附量仅为1.4倍CEC。这主要可归结为其对一价阳离子的吸附，除发生在带负电位上外，还可发生在中性位；而对于二价阳离子来说，吸附仅仅是以离子交换为主。E.Sabah等人对海泡石首先在300℃下进行热活化，然后用NHN03在室温下酸化3h，用于吸附废水中的溴化十二烷基三甲铵(DTAB)、溴化十六碳烷基三甲铵(HTAB)、长碳链和短碳链季钱盐等有机化合物均有很好的效果。G.Rytwo通过实验也得出了同样结论，即海泡石中性吸附位是具有强吸附性的主要原因。
海泡石不仅可用来吸附有机阳离子，也可以吸附有机阴离子，如下相关实验均取得了很好的结果。Orhan Ozdemir等人用典型季铵表面活性剂十六碳烷基三甲铵对海泡石改性，使其表面疏水，并由于负电荷被中和表面积累了大量正电荷；由于静电吸引作用海泡石能对带负电的染料分子产生吸附作用；用改性海泡石对Everzol黄、黑、红三种含阴离子磺酸基染料进行吸附得出最大吸附容量分别为169.1g/kg、120.5g/kg和108.8g/kg。
1.3 无机非金属废水
用海泡石处理富营养化的污水也有很好的效果。有发明公开了一种以坡缕石、海泡石为载体的水净化剂及其制备与使用方法。它是在坡缕石、海泡石的矿物晶格内及其表面附搭载了三价铁离子及其氢氧化物，按重量百分比计，铁元素在催化剂中的含量为1～25％。这种水净化剂以天然坡缕石、海泡石为主要原料，它具有来源广泛、价格低廉的优点，而且它制备工艺简单，使用方便，对水体中的阴离子污染物，如可溶性磷、硝态氮和亚硝态氮，以及表面带有负电荷的浮游藻类具有很强的吸附能力，兼有抑制水体富营养化和杀灭浮游藻类双重功效，适合于水产养殖行业的水体净化，常规使用能净化水质，预防水产病害的发生。赤潮发生时，将它喷洒在赤潮海域，能在短时间内使藻类沉入海底死亡，可将赤潮阻挡在养殖海域外。实验室研究中，用Al2(SO4)3活化处理后的改性海泡石，在pH值为6～7时，对含氟浓度为5 mg/L的高氟水进行了去除实验，去氟率达到86.5%，达到了国家饮用水标准，且不会引起二次污染利用海泡石与氯化镁等无机物在适当条件下反应而研制成的新型复合吸附剂经过l%的HCl改性后能较好的吸附废水中的磷，去除率达98%，吸附容量在27mg/g；Sunabalci经研究发现海泡石对废水中的铵离子吸附效果良好，对含氮化合物中NH4的吸收为3.5mmol/g，去除率达到90%以上，其中60%的氮被转化为无毒物质。
1.4 放射性元素废水
郑宜昌研究了浏阳海泡石粘土对放射性核素Sr2+的吸附性能。结果表明:海泡石粘土对水溶液中放射性核素Sr2+具有一定吸附能力，碱性环境下更有利于吸附作用的进行。酸活化和热活化处理均可不同程度提高海泡石粘土对Sr2+的吸附效果；用15%的盐酸酸化并在120℃温度下烘烤而得的改性海泡石与微生物(T·emersonii CBS 814·70)的混合吸附剂处理含铀废水，去除率可达98%以上。
1.5 有色废水
江西乐平海泡石资源丰富，海泡石质量优于湖南海泡石，用于处理纺织印染废水，吸附容量30.7 mg/g，脱色效果理想(脱色率>90%)，CODcr去除率虽只达到70%~80%，但可以海泡石吸附作为预处理手段，以减轻后续处理的负担，也可望通过对海泡石改性或以海泡石为主要成分研制高效的复合吸附剂，而使CODcr去除率得到提高。作为一种低廉的吸附剂，海泡石具有较好的工业实用价值和开发应用价值。
2 有害气体吸附净化
海泡石对有恶臭味或有害气体具有良好的吸附性，尤其是对含氮化合物，如氨气、甲醛、硫化物、腐胺和尸胺等有极强的吸附作用，广泛用于干燥剂和吸附除臭剂等。经酸改性的海泡石对NH3、Cl2、H2S、SO2、HCl和Cl2有极强的吸附性，其吸附能力为:HCl> Cl2> SO2，NH3>H2S；改性的海泡石加入一定量的活性炭是卷烟过滤嘴的理想原料，可去除危害人体的腈、丙酮和丙烯醛等气态的极性化合物，并吸附烟雾中的CO、CO2等小颗粒；如用110～500℃的温度热改性海泡石能够去除N2，CO2，NH3和H2O；改性海泡石适于室内悬挂净化空气，放置于冰箱中可极大地降低有害气体的浓度，保持冰箱的清洁；也可用于纸张中，作为鞋底、鞋垫和墙壁装饰纸等，达到除味吸湿目的。
另有发明公开了一种脱除高温气体中碱金属蒸气的吸附剂及其制备方法，所述的吸附剂以SiO2、Al2O3为主要成分的矿物(如高岭土、海泡石、铝土和硅藻土)为活性组分，另外添加适量无机或有机粘结剂和扩孔剂，以提高活性组分的吸附能力、吸附剂孔隙率和稳定性。其具有成本低和制备简单等特点，可应用于脱除高温燃气和其他工业气体中碱金属蒸气领域。
3 土壤修复
海泡石的吸附和离子交换能力还可应用于污染土壤的修复。王长伟等人通过盆栽试验研究了海泡石、磷酸盐以及二者复配施用对重金属Cd、Pb复合污染土壤的钝化修复效应。结果表明，海泡石单一处理对油菜生长没有显著的促进作用，而磷酸盐单一处理以及海泡石与磷酸盐复合处理可以显著提高油菜地上部和根部生物量。海泡石与磷酸盐复合处理对降低油菜地上部Cd、Pb质量比效果最为显著，最大降低率分别可达59.76%和38.95%；磷酸盐单一处理降低油菜根部Cd、Pb质量比效果最好，最大降低率可达32.19%和44.30%；海泡石单一处理降低油菜Cd、Pb吸收的效果最差。不同钝化剂处理均可显著提高土壤pH值。绝大部分钝化剂处理均可显著降低土壤有效态Cd、Pb质量比。综合试验结果，6%海泡石与磷酸盐复合处理对土壤Cd、Pb复合污染的钝化修复效果最好。
4 环保型建材涂料
如何从源头控制室内装饰造成的污染，这是多年来人们普遍关注的一个问题，具有吸附能力的海泡石涂料的研制成功，从一个方面对这一问题给出了很好的答案。这种新型海泡石涂料主要有四个特点：一个是本身无污染，二是可以吸附空气当中的甲醛等污染物质，三是可以调节空气湿度，四是具有吸音、降噪效果。
海泡石可取代石棉，应用于保温、隔热、绝缘、隔音工业及磨擦材料工业中。用海泡石形成的涂敷性保温材料，因其具有导热性低，保温性能好，热损失低，强度高的特性，且无毒、无污染、耐油、耐碱、耐腐蚀，还能防火、防燃、附着力强、不易裂缝等性能。此外，海泡石保温材料还具有用量少、涂料薄，对管道可直接涂敷，不用捆扎的特点，因而施工方便，且降低成本，节省能耗。目前，全国很多保温、密封材料厂都注重了海泡石的特殊保温节能方面的应用。有发明公开了一种环保型复合保温材料，它由下述组份组成：海泡石100重量份；英石15-20重量份；硅酸纤维棉8-12重量份；膨胀珍珠岩45-55重量份；水玻璃10-15重量份；以及1788胶1-3重量份。这种材料，存储方便、保温效果好、防火性能好，并完全符合环保要求。另外有研究将海泡石作为一种具有自调湿功能的建材添加剂，其重量组分为海泡石族矿物：10～70份；木质纤维：2～40份；复合磷酸盐：5～40份；纤维素：0.1～10份；活性炭：2～10.5份；无机抗菌剂：0～3份；防霉剂：0～3份。其制备工艺包括海泡石族矿物的酸洗、活化以及各组分的混合、制浆、成型、焙烧和破碎。将该添加剂加入各种建筑材料中，可制成具有良好自动调湿功能以及抗菌、防霉功能的建筑材料。能有效改善居室和工作场所的室内环境空气质量，其原料获取容易，生产工艺简单，制造成本低，可以减少或取消室内空气湿度调节装置的运行时间和次数，节约能源，具有良好的市场前景和推广应用价值。应用海泡石制作保健建筑装饰板材，对人体健康安全无损，无毒无味、无污染，并且有较好的强度和透气、吸水性能，还具有防火防潮功能，可广泛用于各种建筑场所的装饰。
在摩擦材料中加入海泡石胶体代替石棉作增强基料，可使其具有韧性好，抗拉和抗弯度大，冲击强度高，抗高温衰退性好，磨损小，特别是高温磨损小。此外，密度比石棉摩擦片小，刹车无噪音，无致癌物，无污染，且能降低成本，提高质量。
5 展望
由于海泡石具有巨大的比表面和独特的孔结构， 吸附性能好和离子交换能力强的特点，海泡石的用途十分广泛，在环保领域中，由于其比表面仅次于活性炭,而其价格却十分低廉,因此海泡石作为环境保护中的吸附剂和催化剂载体具有广阔的应用前景。在这方面,国内外学者对海泡石的研究尚属发展阶段。另外,稀土元素在海泡石上的应用研究较缺乏,尤其是国内尚属空白。海泡石储量丰富,加工处理工艺相对简单,应用于环境保护,具有投资少、处理效果好且无二次污染等优点,因此在环境治理方面有广阔的应用前景。,由于纳米材料具有常规材料所不具备的特性,近十年来,纳米材料的制备技术及其应用研究发展迅速。纳米海泡石处理废水的潜力巨大、前景广阔,但目前国内外都还处在开始研究阶段,尽管在环境保护中的应用研究才刚刚开始,但初步的研究成果足以显示其巨大的应用前景和价值。随着人们对环境的日益重视,纳米吸附技术和海泡石材料在环保领域的应用、尤其是在废水处理工程中的应用将成为研究热点之一。
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