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1、北京地质 2001年12月 第13卷 第4期CN11—3713öPBEIJINGGEOLOGYVol113No14December12001ISSN1007—1903矿物材料与环境污染治理-以粘土矿物和沸石为例1,222李红阳 牛树银 王宝德(11中国科学院地球化学研究所矿床地球化学开放室,贵阳 550002)(21石家庄经济学院资源与环境工程系,石家庄 050031)摘要:矿物的性能、矿区地质测试和吸附能力实验表明,粘土矿物和沸石等矿物材料对于Cr、Cd、Pb、Hg、As等有害元素具有很强的吸
2、附能力,是理想的低成本吸附剂,在废水处理中可用来取代活性炭或离子交换树脂来去除重金属等有害元素。关键词:矿物材料;低成本吸附剂;重金属;污染治理中图分类号:P5781967文献标识码:A文章编号:100721903(2001)04200082051 引言近十年来,人们对环境污染问题产生的机理及其防治措施的研究取得了许多重要进[1～10]展。环境地质界和环境工程界对矿物的组成、特性和地球化学过程所造成的环境污染与矿物的某些特性在治理环境污染中的独特作用研究,已成为环境科学的重要前缘热点课[1～12
3、]题之一。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。通常,自然或人为采矿活动暴露的硫化物矿物的氧化作用,往往产生一定范围的次生地球化学异常和严重的土壤、地下水和地表水的重金属污染。例如,在黄铁矿、方铅矿、闪锌矿、毒砂等硫化物矿物氧化过程中,Pb、Cd、Hg、Cr、As、S等有害元素将被有效释放而进入水体,[2～3]并通过大气2水2土壤2植物2动物等途径而危害人类健康。而在人类社会活动中,电镀和制革等工业废水、废气和废渣,也是导致大气、水、土壤环境重金属污染的重要因素之一。
4、另一方面,在环境污染治理过程中环境地质界与环境工程界更多地重视廉价高效矿物[4～12]材料吸附剂技术的实验研究与应用,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。矿物材料的环境利用或矿物材料的去污作用,主要是利用其吸附性能,并依据污染物的特点选择最有效的除污矿物或对矿物通过活化改型、改性增强吸附容量而提高其去污性能。一般来说,粘土和沸石等矿物材料,处理简便,是较为理想的廉价高效吸附剂。在河北赤城、围场、滦平等地沸石资源丰富,是更为理想的廉价高效吸附剂。注:本文
5、为中国科学院王宽城博士后教育基金和国土资源部自由探索项目(编号:B11-4)联合资助。收稿日期:2001210221·8·本文主要从矿物与环境的相互关系角度,将矿物的性能分析和已知矿区地质样品的具体测试与矿物吸附能力实验相结合,讨论粘土矿物和沸石等矿物材料对Cr、Cd、Pb、Hg等重金属有害元素的吸附机理与吸附能力,可用来取代活性炭或离子交换树脂以去除废水中的重金属等有害元素。2 粘土矿物一般来说,高岭石、蒙脱石和伊利石是粘土矿物的三个主要代表性矿物种类。粘土矿物由于其比表面积大、孔隙率高、极性
6、强等特性而往往对水中的Pb、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等有害元素较为理想的低成本吸附剂之一。本文着重分析高岭石和蒙脱石的性能,讨论某些已知矿区粘土矿物对重金属等有害元素的吸附富集特征以及以蒙脱石为主的粘土(膨润土)对废水中重金属元素的吸附能力实验结果。211 主要粘土矿物的性能21111 蒙脱石的主要性能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。+ÎÌ蒙脱石的理想结构式为(MxnH2O)(Al2-xMgx)[Si4
7、O10](OH)2,式中M代表层间阳离2++2+[13～14]子,通常是Ca、Na、Mg等,以及其它阳离子甚至有机分子。蒙脱石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,在每个晶体构造层间吸附和放出水分子。蒙脱石具有较高的阳离子交换性能,表现出较强的吸附性,且容易使颗粒分裂成很细的带电粒子。此外,蒙脱石晶体构造层间亦可以有有机物的存在。21112 高岭石的主要性能高岭石Al4[Si4O10](OH)8。天然高岭石由于其粒径极细,往往呈胶体微粒而吸附其它杂质,而且粒径细者交换吸附能力
8、相对增高。但是,与其它粘土矿物相对比,高岭石的阳离子交换能力较低。这主要归因于结构单元层内部已达到电性中和状态,对阳离子的吸附-作用仅限于颗粒的周际或裂隙中。然而,由于结构单元层的外表OH离子的存在,高岭石的阴离子交换能力相对较高。此外,高岭石在颗粒界面上也可吸附有机分子。总之,从蒙脱石和高岭石的主要性能分析,除粘土的表面积很大,使得其吸附能力较强之外,粘土矿物对重金属的吸附能力主要取决于细粒的硅酸盐矿物的净负电荷结构性能。它使得粘土表现出吸引和容纳重金属阳离子的性能。而且,在这种吸附过程中,粘
