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滑石粉在污水處理中的新應用
2015年01月31日 發布 分類:粉體應用技術 點擊量:5309
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     滑石是一種具有特殊層狀結構的鎂質硅酸鹽,其化學性能穩定,具有獨特的孔結構和較大的比表面積。粉末狀滑石具有親油疏水性和優異的吸附性,且儲量豐富,成本低廉,近年來,滑石粉成功應用到污水治理領域,已有將其作為混凝劑、助凝劑、助濾劑、吸附劑、吸油劑的相關研究。滑石主要成分是含水的鎂質硅酸鹽,其結構是由兩層硅氧四面體夾一層水鎂石八面體組成的2:1 型的單斜晶系,化學式為Mg3(Si4O10)(OH)2,其組成為MgO 31.72%,SiO2 63.52%,H2O 4.76%。晶體結構如圖1所示。

       目前,國內外處理污水的方法主要有物理法、化學法和生物處理法,其中,吸附法以工藝簡單、成本低及出水水質較好等特點被廣泛使用,其他方法則存在操作復雜、運行費用高或產生二次污染等問題。目前,使用較多的吸附劑是活性炭,但其價格昂貴、凈化效果相對較慢,使其廣泛應用受到制約。滑石是一種天然黏土礦物,滑石粉是滑石塊經空氣分離,破碎,研磨,水洗,干燥制成,其原料來源豐富、價格低廉,是一種良好的吸附材料。因此,國內外學者用滑石粉處理水污染的研究越來越多。


      1、處理造紙廢水


       造紙廢水主要來自造紙工業生產中的制漿和抄紙生產過程,主要成分是木質素、纖維素、揮發性有機酸等,具有污染物濃度高,排放量大,難降解,可生化性差等特點,是較難處理的工業廢水之一。近年來,將滑石粉作為助凝劑、混凝劑、助濾劑處理造紙廢水的應用研究取得了可喜的進展。


       1.1 作為助凝劑處理造紙廢水


       在最佳混凝條件下,即滑石粉與聚合硫酸鐵(PFS)、聚合氯化鋁(PAC)、聚合硫酸鋁鐵(PAFS)混合的用量各為0.8~1.0、1.2、0.4~0.5g/L 時,CODcr 的去除率分別提高3.0%、4.0%和2.5%,懸浮物(SS)去除率分別提高27.1%、29.4%和26.5%。實驗結果表明結果表明,超細滑石粉(SFT,平均粒徑12μm)作為助凝劑與PAC 或PFS 混凝處理造紙廢水效果顯著,SFT的投料量為1mg/L 時,其助凝效果優于聚丙烯酰胺(PAM),成本降低約23%。滑石粉作為助凝劑的原因之一是其具有較多的表面羥基, 這些活性官能團可參與表面質子遷移而發生表面絡合反應進而吸附污染物。


       1.2  作為助濾劑處理造紙廢水


       膜生物反應器(MBR)是一種由膜分離單元與生物處理單元相結合的新型水處理技術。具有操作簡單,適應性強等特點,已有用于處理造紙廢水的研究[11],但是膜污染問題亟待解決。采用向MBR 中投加滑石粉的方法處理造紙廢水。結果表明,滑石粉投加量為1.2g/L(0.1mm 孔徑的篩網篩出)時,CODcr 去除率可達到90%以上,滑石粉助濾劑的加入,使膜污染阻力下降68.5%,濾餅阻力下降91.1%,減緩膜污染的同時又延長了膜的使用壽命。由于助濾劑滑石粉具有較強的吸附性,所以污泥絮凝體更易聚集,黏性也相應減小,使膜污染阻力有所下降,新型廉價滑石粉助濾劑的研發是滑石應用研究的新方向。


       1.3  作為混凝劑處理造紙廢水


       采用多種陽離子表面活性劑對滑石粉進行有機改性,考查改性滑石粉在不同條件下對脫墨廢水的處理效果。結果表明,在CTAB-滑石粉用量15g/L、硫酸質量分數10%、鋁用量5mL/L、pH 值為6.0、攪拌20min、靜止4h 條件下,CODcr (含量在1600mg/L)去除率可達82.1%。滑石粉改性的最佳條件:溫度90℃、時間50min,表面活性劑的質量分數為25%。將滑石粉添加到活性污泥曝氣池中考查對造紙廢水中絮狀物的沉降速率的影響。結果表明,絮狀物沉降速率得到提高,滑石粉可與其他污水處理劑共存,污泥渣的產量并未增多,生物剩余污泥脫水效果較好。將滑石粉直接作為混凝劑是因為其高效吸附性,而經陽離子表面活性劑改性后的滑石粉能中和帶負電荷的污染物粒子,破壞了這些粒子間原有作用力的平衡, 使其與滑石粉聚結更容易,從而可提高造紙廢水CODcr 的去除率。


        2、處理含油廢水


       含油廢水主要來源于石油工業,鋼鐵,煤氣工作站,機械工業的冷卻潤滑液等。近年來,一些學者對滑石粉作為吸油劑的研究為處理含油廢水提供了一條新途徑。滑石粉(150g/m3 水) 細度為0.074mm 占81%時, 除油率達到78.30%,滑石是天然的疏水親油礦物,能促進疏水親油顆粒在油水中分離,故可將滑石粉作為吸油劑處理含油廢水。


       3、處理染料廢水


       染料廢水組分復雜、色度深,對環境造成嚴重污染。陽離子染料廢水中由于含有復雜的芳香基團而難以生物降解脫色,可生化性差,所以染料廢水不易治理。染料廢水傳統的處理方法(過濾、混凝等)只是將污染物由液相轉化成固相或氣相,并未將污染物完全去除,且易造成二次污染。因此,有關本低、效果好、綠色環保的治理技術正在不斷開發。


        行業專家做了大量實驗,數據結果表明,在25℃,滑石粉投加量為10g/L,慢速攪拌10min 時,染料廢水(0.015g/L)中3 種陽離子染料脫色率均大于99%,其中,溫度變化對陽離子染料廢水脫色效果無顯著影響。40℃時,濃硝酸浸泡滑石,以200℃煅燒2h 時制得改性滑石粉對亞甲基藍的吸附率為84.6%。由此可見,滑石粉處理陽離子染料廢水脫色率較高,主要有以下原因:① 滑石端面在水或空氣等的作用下形成活性官能團OH、Si—O、Si—OH 和Mg—O,染料中的陽離子被這些活性官能團吸附;② 滑石中鎂氧八面體中存在OH—Mg—O 和OH—Mg—OH,當半徑與Mg2+相近的陽離子與滑石接觸時, 這些離子可以從配位八面體中置換出Mg2+,故可去除水中陽離子。


       4、處理芳香族有機廢水


       隨著石油化工,塑料等工業的發展,工廠排放的含有苯、甲苯、酚類等芳香族化合物的廢水越來越多,該類廢水污染物結構穩定,難降解。目前,處理芳香族有機廢水的方法主要有Fenton 試劑高級氧化法和液膜技術分離法,前者雖然操作方便、反應快速,但運行成本較高,在國內較少應用;后者使用的液膜易老化,也存在著膜污染及費用昂貴等問題。


       考查滑石粉對廢水中苯和甲苯的吸附情況,并將吸附效果分別與蒙脫石和介孔硅材料進行比較,結果表明,滑石粉在5h 內完全吸附苯和甲苯,但對甲苯的吸附性更好,二者等溫吸附線為直線,滑石粉對苯和甲苯的吸附效果與改性蒙脫石相當,但優于介孔硅材料。將辣根過氧化酶或過氧化氫偶聯劑對滑石粉進行改性,考查改性滑石粉對水中酚類物質的去除情況。結果表明,在滑石粉的粒徑大小、數量及作用時間等最佳條件下,此方法可以有效凈化污水中的酚類物質,改性滑石所表現出的吸附性使生物催化劑不受污染,延長了催化作用,是去除水中含有酚類污染物的有效方法。滑石粉可用來處理芳香族有機廢水,主要因為其表面硅氧結構具有疏水性,使其極易與非極性的有機分子(例如苯)發生中性吸附。偶聯劑或高能量超聲改性滑石粉后可增強其表面活性,提高其疏水性質,可有效吸附有機分子污染物。


      5、處理重金屬離子廢水


      目前,國內外處理重金屬離子廢水主要有離子交換法,超濾法,電解法,電滲析法等,對于重金屬污染水體的處理技術,大部分仍存在成本高,易造成二次污染等問題。滑石經超細粉碎后,ζ 電位負值更大,表面活性增強,這表明滑石吸附重金屬具有可行性。


       以動態吸附的實驗方法研究滑石粉對水中Cu2+、Pb2+、Cd2+吸附效果。結果表明,滑石對這3 種重金屬離子的吸附等溫線符合Langmuir 和Freundlich 方程式, 在3 種重金屬離子初始濃度等同時,吸附能力由大到小的順序為Pb2+、Cu2+、Cd2+, 最優條件下,Pb2+去除率為99.95%,Cu2+去除率大于98%,Cd2+去除率為99.9%。


      滑石粉對重金屬離子廢水的吸附作用,主要是因為其結構中內羥基具有很強的化學活性,與重金屬離子結合組成可變電荷表面,發生配合反應,使重金屬離子在滑石表面富集,最后去除廢水中的重金屬離子。

       

        結束語

       滑石這一非金屬礦物已得到廣泛應用,社會經濟效益顯著,這也越來越顯示出其在環保領域中應用的可行性。現將滑石粉在各種廢水處理中的優缺點比較如下,見表1。盡管滑石粉在廢水處理方面有一些不足之處, 但是滑石粉以儲量大、分布廣、成本低、污染小等優點在水處理工藝中也有著極為可觀的應用前景。

(粉體圈 作者:梧桐)

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