粘土矿物对重金属有害元素吸附性研究.doc

第31卷近年来,重金属污染及其危害性已引起国内外环境地质界和环境工程界的广泛关注。在水体污染治理过程中环境地质、工程界更多地重视廉价高效矿物材料吸附剂技术的实验研究与应用[1-3],用以替代成本普遍较高的化学沉淀、渗透膜、离子交换、活性炭吸附等重金属污染处理技术。蒙脱石、高岭石、伊利石等粘土矿物由于其比表面积大、孔隙率高、极性强等特性而对水中的Pb 、Zn 、Cd 、Cr 、Hg 等重金属有害污染物质具有较强的吸附能力,是去除废水中重金属有害元素较为理想的低成本吸附剂,在水污染治理中有较大的应用前景。 1蒙脱石对重金属有害元素的吸附性 蒙脱石是一种具有膨胀性、呈层状结构的含有少 量碱和碱土金属的含水铝硅酸盐矿物。蒙脱石的理想结构式为M X H 2O Al 2-xMg X Ⅳ[Si 4ⅣO 10] OH 2,式中M 代表层间阳离子,通常是Ca 2 、Na 、Mg 2 等,以及其它阳离子甚至有机分子。每个单位晶胞由两个硅氧四面体与一个铝氧八面体平行链所组成[4],在每个晶体构造层间吸附和放出水分子。蒙脱石比表面积达 56.37m 2/g ,具有较高的阳离子交换性能,表现出很强 的吸附性,且容易使颗粒分裂成很细的带电粒子,特别是Ca 蒙脱石,它与污水中Pb 、Zn 、Cd 、Cr 、Hg 等重金属离子、REE 或是U 、Th 等放射性元素相遇时, 发生下列吸附或离子交换反应 Ca 蒙脱石Cu 、Pb 、Zn 、Cd 、REE 、U 、Th Cu 、Pb 、Zn 、Cd 、REE 、U 、Th -蒙脱石Ca 2 因此,污水中Pb 、Zn 、Cd 、Cr 、Hg 等重金属元素、 REE 、U 、Th 等就被蒙脱石固定,失去了进一步污染水 体的能力,达到治理目的[5]。 大量实验结果表明,在室温和pH4条件下,蒙脱石对Pb 2、Cd 2、Cr 3等重金属离子的吸附率极高,可达 100[6-7]。 通过改性、酸处理和热处理,蒙脱石的吸附容量大大增强。如表1所示,改性后的蒙脱石,对Pb 的吸附能力增强了8￣9倍;热处理后的蒙脱石,对Cd 的吸附能力是酸处理后的吸附能力的4倍。可见,通过对蒙脱石进行改性等处理,可大大增强其对重金属有害元素的吸附力,提高其去污性能[8],见表1。 总之,蒙脱石对重金属有害元素具有很强的吸附性,是去除重金属有害元素理想的低成本吸附剂。 粘土矿物对重金属有害元素吸附性研究 曹积飞, 杨秋荣, 李英杰, 康桂玲 石家庄经济学院勘查技术学院,河北 石家庄 050031 摘 要文章从粘土矿物主要性能出发,结合粘土矿物吸附能力试验和已知采矿污染区粘土矿物吸附能力测试,研究了蒙脱石、高 岭石、伊利石等粘土矿物对Pb 、Zn 、Cr 、Cd 、Hg 等重金属有害元素的吸附性,探讨了粘土矿物在水污染治理中的应用。 关键词粘土矿物;重金属; 吸附性; 水污染治理 中图分类号X131.2 文献标识码A 文章编号1003-6504200801-0042-03 Absorbability of Clay Minerals to Harmful Elements of Heavy Metal CAO Ji-fei, YANG Qiu-rong, LI Ying-jie ,KANG Gui-ling School of Prospecting and Technology ,Shijiazhuang University of Economics ,Shijiazhuang 050031,China Abstracts On the basis of main properties of clay minerals as well as the specific test and experiments ,the absorbability of clay minerals including montmorillonite ,kaolinite and illite to harmful elements of heavy metals such as Pb ,Zn ,Cr ,Cd and Hg was studied.The application to water pollution abatement was also discussed.Key words clay minerals;heavy metal;absorbability;water pollution abatement 收稿日期2007-01-20;修回2007-04-25 作者简介曹积飞1983-,男,硕士研究生,研究方向为资源环境综合信息勘查,电话0311-********电子邮箱 。 重金属元素Cd Cr Pb 蒙脱石吸附能力-55.06改性蒙脱石吸附能力-57.058.0酸处理蒙脱石吸附能力4.11--热处理蒙脱石吸附能力16.5--陶瓷粘土吸附能力 - - 0.289 表1 蒙脱石的吸附能力实验数据 Table 1 Experimental datum of absorbability of montmorillonite mg/g Environmental Science 蚀变岩为4个样品平均值;沙子坡组白云岩为5个样品平均值;地壳丰度引自泰勒,1964。 2高岭石对重金属有害元素的吸附性 高岭石属于11型二八面体层状硅酸盐矿物, 结构单元层由1个A1O 2OH 4八面体片三水铝石层和1个SiO 4四面体片 硅氧烷层联接而成[3],结构式为Al 4[Si 4O 10]OH 8。高岭石比表面积为14.17m 2/g [6]。粒径极细的天然高岭石往往呈胶体微粒吸附其它杂质。结构单元层的外表OH - 离子的存在,也使高岭石具有较强的离子交换能力。此外,高岭石在颗粒界面上也可吸附大量有机分子[9]。 作者对贵州老万场金矿、云南上芒岗金矿矿山采 矿污染区高岭石进行了系统取样,测试分析结果列入表2、表3,揭示了高岭石对Pb 、Cr 、Cd 、As 、Sb 等重金属有害元素的强吸附性。 如表2所示,高岭石中As 的含量高达778.510-6 3188.010-6之间。Cr 、Sb 也具有较高的含量。与茅口 灰岩、大厂硅质岩和紫木幽原生卡林型金矿石相比,高岭石中Pb 、Cr 、Cd 等的含量均明显高于各类岩矿石,其中Cr 、Cd 、Pb 等的含量高出各类岩矿石几至几十倍。与地壳丰度相比,高岭石中Cr 、Pb 、Cd 、 As 、Sb 、Hg 的含量明显较高,其中As 、Sb 、Hg 的含量 高达上百倍。 如表3所示,高岭石中As 的含量高达2288.0010-6。与碎屑岩、白云岩和蚀变矿化岩石相比,Cr 、Pb 等的含量均高于各类基岩。与地壳丰度相比,高岭石中Cr 、 Pb 、Sb 、As 、Hg 的含量也明显较高。其中As 、Sb 、Hg 的 含量受风化原岩,特别是原生卡林型金矿石微量元素组成的制约,反映了高岭石对Cr 、Pb 、Sb 、As 、Hg 等元素的强吸附性,正是这种强吸附性使得高岭石层中的 As 、Sb 、Hg 的含量高出地壳丰度的上百倍。 表2 贵州老万场金矿区高岭石的微量元素分析结果 Table 2 Analytic results of the trace elements of montmorillonite in Lao Wangchang Gold Ore Guizhou Province 10-6 LWC-7LWC-6LWC-5LWC-4LWC-3 LWC-2LWC-1LWC-01LWC-02茅口灰岩大厂硅质岩金矿石地壳丰度 As 1263.32065.42126.01764.02535.21655.23188.01526.9778.517.08111.8816521.8Hg 1.1471.3681.7191.4391.7001.2631.5731.1791.271---8.0Sb 204.76255.64349.39236.99365.92210.96305.22248.1271.953.01198.24127.920.2Pb 42.03545.1934.95036.0537.8340.53732.3832.6925.0122.0765.4210.4012.5Cr 277.99297.28327.36321.28305.47259.19324.56217.0779.1340.4383.783139.6100Cd 0.4411.6812.0730.952 1.578 0.942 2.9490.867 3.3510.0570.230.185 0.098 注分析单位中国科学院地球化学研究所矿床地球化学开放研究实验室等离子体质谱分析室,漆亮;地壳丰度引自泰勒,1964。 采矿污染区实测数据表明,高岭石对重金属有害元素具有很强的吸附性,可作为去除重金属有害元素理想的低成本高效吸附剂。 3伊利石对重金属有害元素的吸附性 伊利石是一种富钾的层状含水硅酸盐类粘土矿 物,因最早1937年发现于美国伊利而得名,其分子式为K 0.75Al 1.75R 2 0.25 Si 3.50Al 0.50O 10OH 2式中R 2 为 金属离子。伊利石族矿的共同点是属层状结构的硅酸盐类,在组分上与白云母相似。伊利石的化学成分以含铝、钾为特征,其晶格具有与蒙脱石相一致的结晶构造和晶体化学特征,它也由3层结构构成,每个结构单元由2层硅氧4面体夹1层铝氧氢氧8面体构成,夹1层铝-氧-氢氧8面体构成 [3,10] 。 伊利石比表面积可达12.40m 2/g ,在硅氧四面体 中广泛存在Al 3→Si 4类质同象置换,同时在少数伊利石的铝氧八面体中存在Mg 2→Al 3的类质同象置换,因此,伊利石总是带有一定量的净负电荷,表现出对阳离子尤其是一些重金属有害元素的吸附性。 实验研究表明,在室温条件及pH4的条件下,伊利石对Pb 2、Cd 2、Cr 3等重金属离子具有很强的吸附性,吸附量可达100;在pH 值为4,温度为23℃,金属离子浓度约为4ppm 的条件下[5],伊利石对不同的重金属离子表现出吸附容量大小关系如下Cr 3 Zn 2Cd 2Cu 2Pb 2。 可见,伊利石对Cd 、Cr 、Pb 、Zn 、As 等重金属有害 元素具有很强的吸附性,也是去除重金属有害元素理想的吸附剂。 4结论 曹积飞,等粘土矿物对重金属有害元素吸附性研究 43 第31 卷 1蒙脱石、高岭石、伊利石等粘土矿物对Cd 、 Cr 、Pb 、Zn 、As 等重金属有害元素具有很强的吸附性; 改型、改性及造粒处理后,吸附能力更强。 2蒙脱石、高岭石、伊利石等粘土矿物是理想的低成本高效吸附剂,可以广泛应用于水污染治理。 [参考文献] [1]鲁安怀.环境矿物材料在土壤水体人气污染治理中的利用[J]. 岩石矿物学杂志,1999,184292-299. 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