无机吸附剂在污水处理中的应用研究

2022-09-10

随着经济的快速发展和世界人口的急剧增长, 全球对优质水的需求量也在不断的增加。然而, 水污染程度的增加以及饮用水标准的实施, 使得水处理厂需采取有效技术来去除水中的污染物。在传统的水处理技术中, 吸附法以其经济可行性、高效性、便捷性, 被广泛的应用于污水的净化处理中。活性炭因具有高的比表面积、多孔性和特殊的表面特性是目前污水处理技术中最为常见的一种吸附剂, 并表现出较高的吸附容量。然而, 高的成本和后处理工序中活性炭量的损失等缺陷, 使科技工作者急需寻求更为经济高效的替代产品。

目前, 对于高效吸附剂的研究与开发文献已有报道。本文介绍了一系列天然或改性矿物类新型无机吸附剂, 包括粘土、沸石和水滑石等, 旨在报道吸附剂的最近研究进展和评估此类吸附剂在污水处理中的性能。

一、天然及改性矿物粘土

粘土是经由硅酸盐矿物在地球表面风化后形成的一种较为常见的地球矿物原料, 其中以高岭石和蒙脱石最为普遍。蒙脱石晶体归属于单斜晶系, 是层状结构的含水硅酸盐矿物, 以2个SiO四面体片和1个Al-O-OH八面体片所组成。通常在蒙脱石粘土四面体片上的Si4+常以Al3+取代, 而八面体片上的Al3+由Mg2+或Zn2+等取代, 使得其外表面产生不平衡的负电荷, 产生阳离子交换性能, 为此类材料在液相吸附中的应用奠定了基础。

实验研究发现, 通过对天然粘土进行有机改性可以改变其表面的憎水或亲水属性, 同时能够增加本身与有机污染物 (酚类化合物) 的亲和力。相反, 通过对天然粘土的金属聚合改性 (Al/Fe聚合物) , 可形成一种凝固/吸附剂来净化饮用水。因此, 对粘土插入不同的有机官能团或聚合金属位可形成一种新型的粘土吸附剂, 并且聚合金属型在水中的稳定性高于有机型改性粘土。

二、水滑石

近年来, 对于水滑石或水滑石类化合物的研究引起了科技工作者诸多的关注和青睐。水滑石材料属于阴离子型层状化合物, 具有层状结构、层间离子可交换性的特性。

由水滑石的结构可知, 隔层之间的阴离子与正电荷使整个水滑石结构保持电荷平衡, 各层之间的阴离子可由其它一些阴离子所取代。因而可知, 水滑石在阴离子交换方面表现出良好的性能, 并且可以被用作离子交换器和吸附剂。

Wang等利用水滑石作为吸附材料来考察对污水中含有氧阴离子化合物铬酸盐的吸附处理能力。实验研究发现, 水滑石材料表现出良好的吸附应用前景。在系列测试的水滑石材料中, 以Ni-Al水滑石在Ni/Al比为3:1时表现出最高的吸附效果。

三、天然及改性沸石

沸石是一类含有规整孔道和孔穴结构的结晶硅铝酸盐, 其内部的空穴之间由孔道相互连接, 孔道均匀, 依据其晶体内部空穴的大小对分子进行选择性吸附, 使得沸石具有一定的筛分性能。沸石作为一类多孔性功能材料, 在传统的吸附分离、离子交换和催化等工程科学领域存在着广泛的应用。

通常由化学试剂改性沸石 (Fe3+, Al2O3等) 和阳离子表面活性剂 (HDTMA) 对沸石进行改性处理, 以提高沸石外表面活性, 应用于污水中阳离子、阴离子和非极性有机物的吸附处理。

Yusof等采用HDTMA改性后的Y型沸石材料来吸附处理水溶液中的Cr (VI) 和As (V) 离子。研究结果发现, 未改性的Y型沸石对废水溶液中Cr (VI) 和As (V) 离子的亲和力较弱, 而经表面活性剂改性后的Y型沸石材料表现出较高的吸附处理能力。在p H分别为3和8时, 改型Y沸石对废水溶液中的Cr (VI) 和As (V) 离子显示出较高的吸附效率。吸附平衡数据很好的符合Langmuir吸附模型, 吸附机理归因于改性后的沸石自身拥有较低的硅铝比, 较高的外表面离子交换性能, 是相应的商业高硅铝比沸石材料无法比拟的。

四、类沸石咪唑酯骨架材料

类沸石咪唑酯骨架结构材料是以过渡金属离子 (Zn2+/Co2+) 和含咪唑类衍生物构筑的具有沸石拓扑结构的一种新型多孔晶体材料, 结构呈现新颖性和多样性, 具有孔大小可调、比表面积大等特点。借助材料本身优良的特性, 使其在CO2捕获和存储、气体混合物分离方面的研究引起了科学研究者越来越多的关注。借助ZIFs材料自身的憎水性能和化学稳定性能, 对于其在液相吸附中的应用逐渐引起了科研工作者的青睐。

Dong等[1]利用具有SOD拓扑结构的ZIF-67和ZIF-8两种类沸石咪唑酯骨架结构材料研究了其对酸性红151 (AR151) 染料废水的吸附脱色作用。研究结果表明, ZIF-67和ZIF-8两者对AR151的最大吸附容量分别为72.44 mg/g和57.80 mg/g, , 并且较好地符合Langmuir吸附等温线。