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滑石粉在污水处理中的新应用
2015年01月31日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:4875
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     滑石是一种具有特殊层状结构的镁质硅酸盐,其化学性能稳定,具有独特的孔结构和较大的比表面积。粉末状滑石具有亲油疏水性和优异的吸附性,且储量丰富,成本低廉,近年来,滑石粉成功应用到污水治理领域,已有将其作为混凝剂、助凝剂、助滤剂、吸附剂、吸油剂的相关研究。滑石主要成分是含水的镁质硅酸盐,其结构是由两层硅氧四面体夹一层水镁石八面体组成的2:1 型的单斜晶系,化学式为Mg3(Si4O10)(OH)2,其组成为MgO 31.72%,SiO2 63.52%,H2O 4.76%。晶体结构如图1所示。

       目前,国内外处理污水的方法主要有物理法、化学法和生物处理法,其中,吸附法以工艺简单、成本低及出水水质较好等特点被广泛使用,其他方法则存在操作复杂、运行费用高或产生二次污染等问题。目前,使用较多的吸附剂是活性炭,但其价格昂贵、净化效果相对较慢,使其广泛应用受到制约。滑石是一种天然黏土矿物,滑石粉是滑石块经空气分离,破碎,研磨,水洗,干燥制成,其原料来源丰富、价格低廉,是一种良好的吸附材料。因此,国内外学者用滑石粉处理水污染的研究越来越多。


      1、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。近年来,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取得了可喜的进展。


       1.1 作为助凝剂处理造纸废水


       在最佳混凝条件下,即滑石粉与聚合硫酸铁(PFS)、聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铝铁(PAFS)混合的用量各为0.8~1.0、1.2、0.4~0.5g/L 时,CODcr 的去除率分别提高3.0%、4.0%和2.5%,悬浮物(SS)去除率分别提高27.1%、29.4%和26.5%。实验结果表明结果表明,超细滑石粉(SFT,平均粒径12μm)作为助凝剂与PAC 或PFS 混凝处理造纸废水效果显著,SFT的投料量为1mg/L 时,其助凝效果优于聚丙烯酰胺(PAM),成本降低约23%。滑石粉作为助凝剂的原因之一是其具有较多的表面羟基, 这些活性官能团可参与表面质子迁移而发生表面络合反应进而吸附污染物。


       1.2  作为助滤剂处理造纸废水


       膜生物反应器(MBR)是一种由膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术。具有操作简单,适应性强等特点,已有用于处理造纸废水的研究[11],但是膜污染问题亟待解决。采用向MBR 中投加滑石粉的方法处理造纸废水。结果表明,滑石粉投加量为1.2g/L(0.1mm 孔径的筛网筛出)时,CODcr 去除率可达到90%以上,滑石粉助滤剂的加入,使膜污染阻力下降68.5%,滤饼阻力下降91.1%,减缓膜污染的同时又延长了膜的使用寿命。由于助滤剂滑石粉具有较强的吸附性,所以污泥絮凝体更易聚集,黏性也相应减小,使膜污染阻力有所下降,新型廉价滑石粉助滤剂的研发是滑石应用研究的新方向。


       1.3  作为混凝剂处理造纸废水


       采用多种阳离子表面活性剂对滑石粉进行有机改性,考查改性滑石粉在不同条件下对脱墨废水的处理效果。结果表明,在CTAB-滑石粉用量15g/L、硫酸质量分数10%、铝用量5mL/L、pH 值为6.0、搅拌20min、静止4h 条件下,CODcr (含量在1600mg/L)去除率可达82.1%。滑石粉改性的最佳条件:温度90℃、时间50min,表面活性剂的质量分数为25%。将滑石粉添加到活性污泥曝气池中考查对造纸废水中絮状物的沉降速率的影响。结果表明,絮状物沉降速率得到提高,滑石粉可与其他污水处理剂共存,污泥渣的产量并未增多,生物剩余污泥脱水效果较好。将滑石粉直接作为混凝剂是因为其高效吸附性,而经阳离子表面活性剂改性后的滑石粉能中和带负电荷的污染物粒子,破坏了这些粒子间原有作用力的平衡, 使其与滑石粉聚结更容易,从而可提高造纸废水CODcr 的去除率。


        2、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。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。滑石粉(150g/m3 水) 细度为0.074mm 占81%时, 除油率达到78.30%,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。


       3、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,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。


        行业专家做了大量实验,数据结果表明,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3 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。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OH、Si—O、Si—OH 和Mg—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 和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。


       4、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。


       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。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。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。


      5、处理重金属离子废水


      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。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具有可行性。


       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3 种重金属离子的吸附等温线符合Langmuir 和Freundlich 方程式, 在3 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%。


      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。

       

        结束语

       滑石这一非金属矿物已得到广泛应用,社会经济效益显著,这也越来越显示出其在环保领域中应用的可行性。现将滑石粉在各种废水处理中的优缺点比较如下,见表1。尽管滑石粉在废水处理方面有一些不足之处, 但是滑石粉以储量大、分布广、成本低、污染小等优点在水处理工艺中也有着极为可观的应用前景。

(粉体圈 作者:梧桐)

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