蒙脫土吸附特性之研究一、前言

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1、蒙脫土吸附特性之研究1112黃富昌陳慶和邱英嘉劉偉麟3333333蕭博瑞盧麒丞劉家福顏冠忠林嘉鴻陳韋賓劉彥君1南亞技術學院土木與環境工程系副教授2南亞技術學院土木與環境工程系講師3南亞技術學院土木與環境工程系學生摘要本研究以鈣-蒙脫土藉由陽離子交換製備鈦-蒙脫土、鐵-蒙脫土、銅-蒙脫土，分別利用氮氣吸附孔隙儀(ASAP)、X光繞射儀(XRD)及掃描式電子顯微鏡(SEM)，透過氮氣吸/脫附曲線之量測，以獲得氮氣吸/脫附曲線、土壤表面層間距與土壤表面影像，透過這些實驗數據得到BET比表面積、孔洞體積、孔洞大小分佈、配合Frenkel-Halsey-Hil

2、l(FHH)理論的運用，獲得土樣表面碎形維度及推測孔洞連結方式等基本結構參數。本研究初步獲得陽離子交換的結果可以增加蒙脫土比表面積、孔洞尺寸、孔洞體積和的孔洞連接性的增加。這些基本結構參數在後續探討土壤脫附特性時，將扮演重要之角色。關鍵詞：蒙脫土、吸附一、前言自然環境中蒙脫土(montmorillonite)具較低的層隙間電荷，可以自由的膨脹，所以存在於各晶格層隙間的交換性陽離子會影響其C軸(C-spacing)晶格，使其具有特別的膨脹性質，而這也說明晶格層隙間之交換性陽離子對蒙脫土的膨脹性質扮演著重要的角色。本研究重點乃在探討陽離子交換程序對蒙脫土

3、結構及對其吸/脫附行為之影響。研究過程中，首先以Ca-蒙脫土為基質製備不同結構之Ti-蒙脫土、Cu-蒙脫土及Fe-蒙脫土作為吸附劑。緊接著量測其氮氣吸/脫附曲線，以獲得BET比表面積、孔洞大小及分佈與微孔體積(microporevolume)等基本結構參數，並估算其表面碎形維度。藉由這些資料獲得置換金屬陽離子對蒙脫土結構影響之初步訊息。同時2-12-1透過X-ray繞射分析及SEM照相觀察，進一步佐證上述之實驗結果。二、文獻回顧2.1土壤之基本性質土壤是地球表面岩石風化的成果，含有豐富的礦物質、有機質、微生物、水分及空氣等，由於岩石母質上或風化過程上

4、之差異，使得土壤在其化學組成或物理結構上具有不均性。1.土壤礦物質：土壤組成礦物根據其成因可分成原生礦物、次生礦物及其他鹽類。原生礦物為在風化過程中尚未改變其化學成分的造岩礦物；次生礦物則為風化作用的產物，其又有結晶型態的高嶺石、蒙特石、伊利石、蛭石等鋁矽酸鹽及氧化鐵、氧化鋁、氧化矽等礦物。2.土壤陽離子交換當量：土壤具有極明顯之負電荷可以吸附陽離子，每100克烘乾土壤所含各種交換性陽離子之毫克當量(m.e.)數值，即為土壤之陽離子交換容量，單位為m.e./100g。土壤帶陰電的量愈多，則能吸附的陽離子量也愈多，其CEC值愈大。23.土壤表面積：土壤

5、表面積係指單位重量或單位體積之物質所暴露的面積，以m/g為單位。土壤具有極大之表面積，故能吸附多量之水及其他物質，此對土壤之物理性及化學性均發生極重要的影響。(圖1為土壤吸附污染物之示意圖)4.土壤孔隙大小分佈：孔隙大小及孔隙分佈決定於吸附劑之結構。孔隙大小分佈影響其吸附容量及吸附速率。Sawhney&Gent(1990)提出微孔隙可能是造成VOCs吸/脫附不平衡的主因。Gregg&Sing(1982)指出，在表面吸附過程中的關鍵參數並非孔隙或吸附質分子本身之大小，需考慮孔隙對吸附質分子大小之比例，尤其是比例為3以內時，吸附表面與吸附質之間有較明顯之

6、作用，產生共同效應(cooperativeeffects)。(圖2為土壤孔隙分佈示意圖)2-12-2圖1土壤表面吸附污染物示意圖圖2土壤孔隙分布示意圖2.2吸附理論1.等溫吸附模式許多學者曾嘗試利用假設之吸附機制發展出一套可解釋試驗所得之等溫吸附曲線之數學式，主要是以經驗模式為主，可適當說明恆溫下兩相間的吸附平衡關係。(1)FreundlichEquationFreundlich等溫吸附模式是一種經驗式，此模式之基本假設為固相表面具有不同的吸附位置，需有不同的吸附能量，常用於表面非常不均勻之吸附劑在一定濃度範圍對單一溶質系統的等溫吸附。Freundl

7、ich方程式表示如下：1x()=KCn……………………….……………………………………….(1)m(2)LangmuirEquationLangmuir等溫吸附模式係假設價電點(pointofvalency)位於吸附劑表面，且每一位址可吸附一個分子，亦即被吸附成單一分子層，此外並假設所有吸附位址，對被吸附分子具有相等的親和力，且被吸附分子之存在，並不影響其餘位址之吸附效應。Langmuir等溫吸附方程式之基本假設為(Ruthven,1984)：(a)吸附劑固體表面具有無數分佈均勻且具相同吸附能量之吸附位置(site)，每一吸附位置只能吸附一個分子(如

8、圖3所示)；(b)各吸附位置對吸附質之親和力相同；(c)固體表面單分子層之最大吸附容量即為飽和吸附容量；及(