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干方群等 :粘土矿物对磷的吸附性能及其在水体净化中的应用
2007年 10月
泛的应用 。由于具有优越的表面性能和特殊的电化 较多 ,其中改性的方法 、机理 、工艺及条件是人们关注
膨胀 - 收缩性能 、可塑性能以及离子交换性能等 ,在 体组合而成 ,这类矿物常存在同晶置换 ,一般带有永
污染治理与水环境修复中可以发挥独特的作用 ,例如 久负电荷 ,阳离子交换容量较高 ,常见的有蒙脱石 、纤
在水体磷素净化方面 ,已经开展了利用天然的或改性 的粘土矿物作为新型吸附材料的研究 [ 11～17 ] 。目前国
硅酸盐粘土矿物中除海泡石 、坡缕石等少数为层链状 及助剂 ,并使其与酸在低温下处理活化 ,蒙脱石则由
外 ,其他均为层状结构 ,其层间包含可交换的无机阳 原来的集合体分散成单晶体 ,层间结构发生改变 ,比
离子 ,且有一部分氧原子价露在晶体表面 ,这种特有 表面积增大 ,吸附性能也随之提高 [ 32 ] 。
维棒石 、蛭石 、累托石 、伊利石 、云母 、绿泥石等 ,目前 用于富营养化水体净化处理的粘土矿物材料主要包
内外应用于环境治理方面的粘土矿物主要是各种类 括前面 4种 ; 1∶1型矿物的单元晶层是一片硅氧四面
型的硅酸盐矿物 ,如蒙脱石 、凹凸棒石 、海泡石 、蛭石 、 体片和一片铝 (镁 )氧 (氢氧 )八面体组合而成 ,这类
摘 要 :磷是引起水体富营养化的主要元素 ,由于粘土矿物具有良好的吸附性能 ,尤其是改性后的粘土矿物吸附效果 更为显著 ,利用粘土矿物对磷污染水体进行治理 ,愈来愈受到人们的关注 ,为此就粘土矿物对水体中磷的吸附性能研 究进展以及粘土矿物在含磷水体处理中的应用前景进行了归纳 、分析和介绍 。 关键词 :粘土矿物 ;改性 ;吸附 ;磷 ;水体净化 中图分类号 : X52 文献标识码 : A 文章编号 : 1672 - 2043 (2007)增刊 - 0447 - 07
重之中 。研究表明 ,氮磷等营养成分的富集是导致水 体富营养化的根本原因 ,其中磷是制约许多藻类生长 的根本性因素 [ 4 ] 。因此 ,如何有效控制并设法去除水 体中的磷日益显得重要 。目前国内外常用的污水除 磷方法主要有吸附法 、沉淀法 、生物法 、混凝法及离子 交换法等 ,其中沉淀法与生物法等均存在产生沉淀物 或生物污泥等二次污染问题 ,而吸附法不仅可以克服 这类问题 ,且具有处理效果好 、占地面积小 、工艺简 单 、操 作 方 便 等 优 点 , 在 含 磷 废 水 处 理 中 备 受 关 注 [ 5～7 ] 。在吸附法处理污水的应用研究中 ,寻找新的 高效吸附剂是开发除磷新工艺的关键 [ 8、9 ] 。 粘土矿物是一类重要的非金属矿藏资源 ,也是各 类土壤和沉积物的主要成分 ,在自然界中分布广泛 、 种类繁多 、储量丰富 ,在很多生产实践领域已有着广
景作一介绍 。
养化水体净化处理研究的粘土矿物材料 。综合以上
1 粘土矿物对水体磷的吸附性能
特点 ,以下就一些代表性硅酸盐粘土矿物在富营养化 水体中的应用研究状况逐一进行介绍 。
自然界中粘土矿物的种类很多 [ 19 ] ,在化学成分 上变化范围也很宽 ,可以是铝 、镁的含水硅酸盐 ,也可 以是非硅酸盐 ;可以是结晶质的 ,也可以是非结晶质 的 [ 20 ] 。天然产出的粘土矿物主要包括晶质层状硅酸
视 [ 22 ] 。研究发现 ,膨润土 、凹凸棒石和蛭石等硅酸盐 粘土矿物均可吸附水体中的磷酸根离子 [ 15～17 ] 。但
土对含磷废水具有较好的去磷效果 ,酸改性后的膨润 土对磷的去除率有较大提高 [ 23 ] ,而镁 、铝等活化处理
是 ,自然条件下的天然粘土矿物往往存在一些缺陷 , 后的吸附剂对溶液中磷的吸附能力显著优于天然膨
Adsorption of Phosphorus on C lay M inera ls and Its Applica tion in W a ter D econ tam ina tion
GAN Fang - qun1, 3 , ZHOU J ian - m in1 , WANG Huo - yan1 , DONG Yuan - hua1, 2 , L IU Yun1, 2 (1. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2. Joint Open Laboratory of Soil and the Environment, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences and Hongkong Bap tist University, Nanjing 210008, China; 3. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) Abstract: Phosphorus is recognized as an essential element in water eutrophication. In recent years, clay m inerals, especially those modified clays, have been used in decontam inating phosphorus - contam inated water, because of their excellent adsorp tive caracters. In the p resent paper, a summary concerning adsorp tion of phosphorus on clay m inerals and their app lication in water decontam inating is outlined. Keywords: clay m inerals; modified clays; adsorp tion; phosphorus; water decontam ination
收稿日期 : 2007 - 04 - 14 基金项目 :江苏省科技厅科技攻关和自然科学基金项目 (BE2006371,
B K2004168 ) 作者简介 :干方群 (1984—) ,女 ,安徽巢湖人 ,博士研究生 ,主要从事水
体环境污染与控制研究 。 E - mail: fqgan@ issas. ac. cn 通讯作者 :周健民 E - mail: jmzhou@ issas. ac. cn
用范围的不断扩大 ,国内外近年来也已开展了利用膨 润土处理废水的各类研究 [ 29～31 ] ,特别是应用于富营
(镁 )氧 (氢氧 )八面体 ,硅氧四面体以其底部的 3 个 养化水体净化处理的研究更是受到人们的格外关注 。
氧 ,分别与其相邻的 3个四面体以共角顶氧的方式相 蒙脱石在水介质中分散后 ,一部分在表面双电层作用
物和氢氧化物 ,组分不定的凝胶类硅酸盐等 [21 ] 。依 层状结构以及结构中元素的类型与分布共同决定了
据矿物结构 ,分硅酸盐和非硅酸盐两大类介绍粘土矿 膨润土优良的物理化学性质 ,包括吸水性 、吸附性 、催
物对水体磷的吸附性能以及研究应用现状 。
化活性和阳离子交换性等 。随着膨润土在各行业使
1. 1 硅酸盐粘土矿物 硅酸盐矿物的基本结构单元是硅氧四面体和铝
第 26卷增刊
农 业 环 境 科 学 学 报
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开 [ 24 ]探讨了 A l3 +改性膨润土 (含 1. 0% A l3 + )处理含 2∶1型结构 ,内部多孔道 ,内外表面发达 ,但它们没有
磷废水的性能 ,发现 5 g·L - 1的膨润土用量在最佳处 连续的八面体片 ,与典型的 2∶1型结构不同 ,它的主
高岭石等 [18 ] ,以及其他一些非硅酸盐粘土矿物 。本 矿物很少存在同晶置换 ,所以永久电荷极少 ,阳离子
文就国内外有关粘土矿物对水体磷吸附性能方面的 交换容量很低 ,包括高岭族和蛇纹石族 ,其中高岭石
研究进展以及粘土矿物在含磷水体处理中的应用前 是最为典型的 1 ∶1 型粘土矿物 ,也是已经用于富营
连 ,形成硅氧四面体片 ,相邻的两个铝 (镁 )氧 (氢氧 ) 下开始分离 ,另一部分则因可交换性 Ca2 + 、M g2 +的存
八面体通过共棱边的两个 OH 相连形成八面体片 ,四 在而成集合体团聚态 ,所以使用未经处理的膨润土处
面体片与八面体片的结合可以是 2∶1型或 1∶1型 。 理废水的效果欠佳 。若向蒙脱石中加入含铝物质以
分子结构及不规则的晶体缺陷 ,使其对水体中的污染 关晓彤 [7 ]使用未经处理的膨润土吸附水体中的
物具有良好的吸附性能 ,而关于这种性能的研究和应 磷 ,结果发现磷的去除率可达 85% ,其中 pH 值对处
用在环境污染防治中已受到日益广泛的关注和重 理效果影响比较显著 。研究表明 ,活化改性后的膨润
学性质 ,粘土矿物近年来在环境保护领域和污染物净 的焦点 [28 ] ,而常见的改性方法主要有热处理 、无机和
化处理中也得到了一定的应用 [ 10 ] 。粘土矿物的粒级 有机改性等 。
属于胶体范围 ,具有比表面积大 、孔隙多以及极性强 硅酸盐粘土矿物中 , 2 ∶1 型矿物的单元晶层由
等特征 ,同时具有较强的吸附性能 、脱水 - 复水性能 、 两片硅氧四面体片中间夹一片铝 (镁 )氧 (氢氧 )八面
随着人类活动程度的不断加大以及活动范围的 逐渐扩大 ,水体富营养化问题变得越来越严重 。水体 富营养化不仅严重破坏了水体的自然功能 ,也直接影 响着人类对水资源的开发与利用 [ 1 ] ,因而是目前一个 突出的环境污染问题 。据不完全统计 , 1999 年中国 主要湖泊中处于氮磷富营养化的占 56%之多 [ 2 ] 。而 到 2004年 ,周怀东等 [ 3 ]调查分析了全国水体总磷和 总氮的分布态势 ,结果发现水库与湖泊的营养盐水平 处于升高趋势 ,这意味着水体富营养化程度在不断加