非金属矿物在废水处理中的应用研究

用矿物作为污水处理材料，具有储量丰富，方法简单，可去除水中无机和有机污染物，化学和生物性能稳定，容易再生等优点。非金属矿物具有良好的吸附和离子交换性能，在水处理方面有广阔的应用前景。本文介绍了海泡石、镁砂、沸石、膨润土等几种常见的矿物材料在有机废水、重金属废水及含油废水中的研究现状。
文章编号： 1674 -6139(2013)09 -0064 -04
中国是矿产资源丰富的国家，许多非金属矿物因其特有的成分及结构特征而具有吸附、过滤、分离、离子交换、催化等优异的物理化学性能，对环境污染物治理效果较好。用矿物作为污水处理材料，具有储量丰富，方法简单，可去除水中无机和有机污染物，化学和生物性能稳定，容易再生等优点。近几年来廉价吸附材料的研究开发和利用非常活跃，研究矿物的表面物化性质，活化矿物材料，通过人工改性，提高其表面活性成为扩展矿物材料工业应用的主要途径。
1.非金属矿物在有机废水处理中的应用
海泡石(sepiolite)是一种富镁纤维状硅酸盐黏土矿物，其化学式为Mg8(H2O)4[Si6O16]2(OH)4.8H2O，比表面积和孔体积很大，具有较强吸附能力，在通道和孔洞中可以吸附大量的水或极性物质，包括低极性物质。此外，还具有良好的机械和热稳定性，以及分子筛功能。
谢淑州等考察了铁锰磁性海泡石吸附剂对活性艳兰染料的吸附情况，结果表明，其在较强酸或碱性条件下具有良好的吸附效果。范莉等研究了海泡石对亚甲基蓝的吸附性能，经HCl 改性海泡石的饱和吸附量大于一般海泡石。杨胜科等分别采用阴阳离子表面活性剂对海泡石进行有机化改性处理，研究其对曙红Y 的吸附性能及影响因素，结果表明，经CTMAB 改性的海泡石对水中曙红Y 的极限吸附量比经DOSO3NA 改性过的海泡石及原生海泡石对曙红Y 的极限吸附量高出103 倍。
沸石(zeolite)是一族架状结构的多孔性含水硅酸盐矿物的总称，其化学式为x[(M+，M2 +1/2)AlO2].y(SiO2).zH2O，作为一种微孔材料，具有优良的离子交换、催化和吸附性能，在水处理领域中具有广泛用途[4 - 6]。
马万山等用天然沸石矿粉与优质煤粉按比例混匀，烧制成多孔质沸石颗粒，用其吸附处理染液和印染废水，脱色效果良好。袁凤英等[8 - 9]对天然沸石进行改性，研究了改性沸石吸附废水中重铬酸盐和苯酚的影响因素，结果表明，在一定条件下，去除率可达90% 以上。左玉明等用沸石净水剂处理造纸黑液，可实现造纸废水的零排放。钱俊青以酸法活化天然沸石，应用于大豆油脱磷，效果优于水化法。李华研究了蒙脱土与沸石对焦化废水中酚的去除效果，结果表明，在最佳工艺条件下，对水中酚的最高去除率可达24%。
镁砂主要成份为MgO，其作为环境友好型材料在环保领域印染废水的脱色处理、酸性废水处理、重金属脱除、废水脱磷、脱铵和烟气脱硫等方面得到广泛应用，具有活性大、吸附能力强、安全无毒、可回收、多次利用等优点。
许坤等研究了氢氧化镁对水溶性阴离子染料模拟废水的脱色规律和机理，结果表明氢氧化镁具有优异的脱色效果。许力，嵇鸣等采用氢氧化镁对印染工业废水进行脱色处理，考察了pH、镁盐添加量、固液分离方法等对脱色效果的影响。
2 .非金属矿物在重金属废水处理中的应用
重金属废水对人体健康和环境的危害很大，寻找廉价高效的重金属离子去除方法是当今水处理技术的重要课题。目前，重金属离子废水一般处理方法为化学沉淀法和离子交换法，但存在大量药品污泥沉淀，树脂昂贵、易中毒失效等缺点。利用天然矿物或岩石的吸附交换性能处理废水，具有成本低且效果良好等优点。
杨明平等[16 - 19]将海泡石经改性后，对废水中的Cr6 +、Pb2 +、Ni2 + 进行吸附处理，效果良好。罗道成等对天然膨润土进行改性处理，在静态条件下废水中的Pb2 +、Cr2 +、Ni2 + 等重金属离子，经改性膨润土处理后出水可达到国家排放标准。宋和付等研究报道，膨润土热活化后，吸附水溶液中Zn2 +、Cd2 + 的能力显著提高。
Jose 等用煅烧菱镁矿获得的轻烧氧化镁与水反应制备氢氧化镁，用于处理含Zn2 +、Pb2 +、Mn2 + 离子的废水，能使废水中的重金属离子浓度显著降低。Tobias 等将煅烧菱镁矿获得的轻烧氧化镁用于处理废水中的二价金属离子，当溶液pH 值在8.5 以上，对Ca2 +、Co2 +、Ni2 + 等重金属离子均有较好的去除效果。姜述芹等[24 - 25]以氢氧化镁作为吸附剂处理含镍、镉离子酸性废水的结果表明，处理后废水中镍、镉离子含量可以达到国家排放标准要求。
3 .非金属矿物在含油废水处理中应用
含油废水是一种常见的工业废水，在石油开采业、石油炼制业、石油化工、机械加工以及食品加工等诸多行业每年都要产生大量的含油废水。
按照油滴大小来分，油在水中呈4 种状态[26 - 29]：
(1)浮油： 铺展在污水表面形成油膜或油层，油滴粒径较大，一般大于100 pm，可采用分离法、吸附法等去除；
(2)分散油： 以油粒形状分散在污水中，油粒直径一般在1 ～ 100 μm，可采用粗粒化方法去除；
(3)乳化油： 由于水中表面活性剂的存在，油在污水中呈乳浊状，油粒粒径一般在0.1 ～ 10μm，表面性质复杂，较稳定，难以分离，一般采用浮选、混凝、过滤等处理方法；
(4)溶解油： 油以分子态和化学方式分散于水中，形成油- 水均相体系，通常浓度低于10 mg/L，可采用化学氧化及生化法去除。其中乳化油废水是含油废水中产生较多且较难处理的一种。
吸附法处理含油废水的基本原理是利用亲油性材料的多孔性和大的比表面积，将废水中的溶解油及其它溶解性有机物进行表面吸附，从而达到油水分离的目的。该法用于处理含油废水具有出水水质好，设备占地小等优点。
来源广泛的粘土类矿物如蒙脱石、膨润土、硅藻土、凹凸棒石等经改性处理后吸附性能增强，对处理含油废水有良好的效果，是含油废水处理的一个发展方向。
Khaled Okiel 等分别以膨润土、活性炭粉末和沉积炭作吸附剂处理油水乳化液，经对比发现：膨润土和沉积炭相较于活性炭粉末有更好的除油效果，且除油率随着吸附剂用量、吸附时间的增加而提高，乳化液中油的浓度越低，处理效果越好。
杨子立等以电厂废弃物粉煤灰为原料，在实施接枝高分子季铵盐基团，除油率可达90% 以上。顾锡慧等将粉煤灰与改性剂溶液(盐酸(1 +3))以一定比例混合，经超声搅拌及烘干后得到表面扩孔的粉煤灰，再与有机硅季铵盐进行接枝反应，得到接枝聚季铵盐的改性粉煤灰。在相同条件下，改性粉煤灰对石油烃的去除率比原料灰提高48.1%，饱和吸附容量由15.2 mg/g 提高至95.0 mg/g。赖经妹等采用10% HCl 浸渍处理后改性沸石处理工业乳化废水，结果表明： 改性沸石对工业乳化废水的COD 去除率达83% ～ 85%，效果优于聚铁。郭继香等选择蛭石作为石油废水中COD 类污染物的吸附剂，结果表明： 蛭石对中性石油废水中COD 的去除率达86.8%。叶新才等采用碳酸钠(Na2CO3)和溴化十六烷基三甲铵(CTMAB)对膨润土进行改性，结果表明： 有机改性膨润土除油效果好于钠化改性膨润土和提纯土，且饱和吸附容量也远高于提纯土； 对于浓度为221 mg/L 的含油废水，经有机膨润土处理后，油的去除率可达97%。廖欣峰等采用膨润土原土作吸附剂和絮凝剂联合处理乳化油废水，处理率均在90% 以上。曹乃珍等[37 - 38]取重油为研究对象，研究了膨胀石墨对油类物质的吸附特点，发现膨胀石墨表面和内部有许多网络状的孔，表面积较大，对单纯油类、浮油及乳化油和低含油废水中的油具有极好的吸附去除能力。李瑜等以季铵盐为改性剂，对凹凸棒土进行改性反应，结果表明： 季铵盐表面活性剂相对分子量越大，有机改性凹凸棒土的除油能力越大。
4.研究展望
非金属矿物吸附剂因价格低廉，操作简单，在水处理领域具有广阔的应用前景。目前国内外针对某种矿物材料进行改性并应用于废水处理中的研究并不少见，但其使用的矿物材料均以粉状为主，在实际应用中粉状吸附剂很难实现动态吸附，且易造成阻塞，静态吸附又存在固液分离和再生困难等问题，增大处理费用，甚至导致二次污染。因此，在矿物材料吸附剂用于污水处理前，先向其中加入一定质量的黏结剂和致孔剂，将其加工成一定的形状，使其在水中能够稳定存在，是将矿物吸附剂应用于实际的基础。
5.结语
同时，为获得更高的吸附容量，提高吸附材料的稳定性和适应性，可根据不同矿物材料的结构特点及改性后的吸附性能，把矿物材料改性后按一定比例混合，制备高效、经济的复合矿物吸附剂，将对于充分利用中国丰富的非金属矿产资源、提高废水处理效率、降低废水处理成本具有一定的应用价值。