矿物材料课件:第三章 环境矿物材料(第一章).ppt
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1、第三章第三章 环境矿物材料环境矿物材料太湖蓝藻事件太湖蓝藻事件松花江污染松花江污染主要的环境污染物及其来源主要的环境污染物及其来源用于污染物处理的非金属矿物用于污染物处理的非金属矿物环境矿物材料环境矿物材料 指由矿物及其改性产物组成的与生态环境具指由矿物及其改性产物组成的与生态环境具有良好协调性或直接具有防治污染和修复环境功有良好协调性或直接具有防治污染和修复环境功能的一类矿物材料。它既是矿物材料,又是环境能的一类矿物材料。它既是矿物材料,又是环境材料,是两者的交集。换句话说,环境矿物材料材料,是两者的交集。换句话说,环境矿物材料是具有环境协调性或环境功能的矿物材料。因此,是具有环境协调性或环
2、境功能的矿物材料。因此,环境矿物材料应该具备两个最基本特征是:环境矿物材料应该具备两个最基本特征是:(1 1)本身是以天然矿物或岩石为主要原料)本身是以天然矿物或岩石为主要原料(2 2)具有环境协调性或具有环境修复和污染治理功能)具有环境协调性或具有环境修复和污染治理功能环境矿物材料的概念环境矿物材料的概念(1) 表面吸附作用表面吸附作用 矿物表面微形貌矿物表面微形貌特征在很大程度上影特征在很大程度上影响着其表面活性强度。有利于化学吸附的响着其表面活性强度。有利于化学吸附的条件是由条件是由表面吸附质成键作用的增强和表面吸附质成键作用的增强和表面内与被吸附分子中成键作用的减弱表面内与被吸附分子中
3、成键作用的减弱之之间的平衡来决定的,吸附质诱导的表面重间的平衡来决定的,吸附质诱导的表面重构和解离化学吸附只是这种微妙平衡所固构和解离化学吸附只是这种微妙平衡所固有的两个极端情况,其中吸附质表面之间有的两个极端情况,其中吸附质表面之间的强相互作用支配着转变过程。的强相互作用支配着转变过程。环境矿物材料作用机理环境矿物材料作用机理重金属离子重金属离子在矿物颗粒表面的吸附作用是一种在矿物颗粒表面的吸附作用是一种表面配表面配合反应合反应,反应趋势随溶液的,反应趋势随溶液的PH值和羟基基团的浓度值和羟基基团的浓度增加而增加。因此,表面配合反应主要受增加而增加。因此,表面配合反应主要受PH影响。影响。S
4、iOH=SiO-+H+SiOH+H+=SiOH2+SiOH+M2+=SiOM+H+SiOH+MOH+=SiOMOH+H+2SiOH+M2+=(SiO)2M+2H(2) 孔道效应孔道效应 矿物孔道效应包括矿物孔道效应包括孔道分子筛孔道分子筛、离子筛离子筛效应效应与与孔道内离子交换效应孔道内离子交换效应等。过去认识到等。过去认识到的具有孔道结构并具有良好过滤性的矿物有的具有孔道结构并具有良好过滤性的矿物有沸石、粘土、硅藻土、轻质蛋白石等,新近沸石、粘土、硅藻土、轻质蛋白石等,新近发现磷灰石、电气石、软锰矿、硅胶等均具发现磷灰石、电气石、软锰矿、硅胶等均具有良好的孔道性质有良好的孔道性质, ,连蛇纹
5、石、埃洛石管状连蛇纹石、埃洛石管状结构以及蛭石膨胀孔隙等也表现出优良的孔结构以及蛭石膨胀孔隙等也表现出优良的孔道性能而备受关注。道性能而备受关注。(3)离子交换作用)离子交换作用 离子交换作用离子交换作用主要发生在主要发生在矿物矿物表面表面、孔道内孔道内与与层间域层间域。 碳酸钙和磷灰石等离子晶格矿物表碳酸钙和磷灰石等离子晶格矿物表面,沸石和锰钾矿等矿物孔道内及面,沸石和锰钾矿等矿物孔道内及大多数黏土矿物层间域等都能发生大多数黏土矿物层间域等都能发生离子交换。离子交换。 (4)改性作用机理)改性作用机理 天然粘土矿物存在亲水性无机阳离子天然粘土矿物存在亲水性无机阳离子, ,使粘土矿物表面常存在
6、着一层薄的水膜。因使粘土矿物表面常存在着一层薄的水膜。因而不能有效去除诸如酚、苯、胺类等而不能有效去除诸如酚、苯、胺类等有机物有机物质质,为了去除环境中有机物,通过一定的改,为了去除环境中有机物,通过一定的改性方法,使性方法,使有机阳离子进入非金属矿物有机阳离子进入非金属矿物中,中,置换出其中的水分子而形成有机粘土矿物。置换出其中的水分子而形成有机粘土矿物。矿物经过有机改性后,可明显改变有机粘土矿物经过有机改性后,可明显改变有机粘土矿物对有机污染物的吸附能力。矿物对有机污染物的吸附能力。(5)氧化还原效应)氧化还原效应 、为自然界中少数的但属于常见、为自然界中少数的但属于常见的变价元素,由变价
7、元素组成的矿物往往是自然界中的变价元素,由变价元素组成的矿物往往是自然界中一些极不稳定的金属矿物,常常可表现出一定的氧化一些极不稳定的金属矿物,常常可表现出一定的氧化还原作用。还原作用。 天然天然铁的硫化物铁的硫化物对处理含对处理含6+有毒废水效果良有毒废水效果良好,是因该矿物在一定条件下具有氧化还原作用好,是因该矿物在一定条件下具有氧化还原作用天然天然锰钾矿锰钾矿的氧化还原性与其含有变价的的氧化还原性与其含有变价的4+和和3+离子有关,当锰钾矿与某些易被氧化或还原的分离子有关,当锰钾矿与某些易被氧化或还原的分子或离子发生化学反应时,可表现为两种性质,如将子或离子发生化学反应时,可表现为两种性
8、质,如将有机污染物苯酚完全氧化为有机污染物苯酚完全氧化为CO2和和H2O,也可以将毒,也可以将毒性较大的性较大的Cr6还原为毒性较小的还原为毒性较小的Cr3。1 1 膨润土膨润土 天然膨润土天然膨润土中的表面硅氧结构具有极强的中的表面硅氧结构具有极强的亲水性,再加上其层间大量可交换性阳离子的亲水性,再加上其层间大量可交换性阳离子的水解反应,使其表面通常存在一层薄的水膜,水解反应,使其表面通常存在一层薄的水膜,因此吸附和离子交换只在表面空隙进行,而不因此吸附和离子交换只在表面空隙进行,而不能有效地吸附疏水性有机污染物,从而限制了能有效地吸附疏水性有机污染物,从而限制了其在废水处理中的应用。因此,
9、对天然膨润土其在废水处理中的应用。因此,对天然膨润土的改性受到了广泛的重视。通过酸、氧化剂、的改性受到了广泛的重视。通过酸、氧化剂、无机盐等无机物对膨润土进行改性,可明显改无机盐等无机物对膨润土进行改性,可明显改善其对有机污染物的吸附性和离子交换性能。善其对有机污染物的吸附性和离子交换性能。膨润土的改性膨润土的改性改性机理改性机理(1)HCl改性改性 可除去分布于蒙脱石通道中的杂质,孔道得可除去分布于蒙脱石通道中的杂质,孔道得到疏通,还使得原较为致密的片状板层堆积结构到疏通,还使得原较为致密的片状板层堆积结构变得疏松,孔道扩大,有利于变得疏松,孔道扩大,有利于CECCEC的提高。的提高。(2)
10、NaCl改性改性 多价离子具有较高的库仑力,并能同时满足多价离子具有较高的库仑力,并能同时满足蒙脱石两相邻层单元的负电性,充当层蒙脱石两相邻层单元的负电性,充当层- -层紧密联层紧密联结的桥梁作用,因而粘土层的结构对结的桥梁作用,因而粘土层的结构对CaCa2+2+的亲和的亲和力比对力比对NaNa+ +的高。的高。NaNa+ +作为可交换阳离子时没有桥作为可交换阳离子时没有桥梁作用,层梁作用,层- -层间主要是范德华力,故层间主要是范德华力,故NaNa+ +活化土活化土易被极性水分子剥离成极细晶片而高度分散,其易被极性水分子剥离成极细晶片而高度分散,其交换位置被充分暴露,因此,层间交换位置被充分
11、暴露,因此,层间NaNa+ +的增加有利的增加有利于提高膨润土的于提高膨润土的CECCEC。(3)CTMAB改性改性 有机铵离子取代了蒙脱石中的可交换阳有机铵离子取代了蒙脱石中的可交换阳离子,减小了小膜阻力,扩大了晶层间的离子,减小了小膜阻力,扩大了晶层间的距离,增加了含碳量,疏水性得以改善,距离,增加了含碳量,疏水性得以改善,CECCEC增高。增高。(4)焙烧活化改性)焙烧活化改性 膨润土原土经过焙烧,先后失去表面膨润土原土经过焙烧,先后失去表面水、吸附水和结构水,减小了水膜阻力,水、吸附水和结构水,减小了水膜阻力,焙烧还使得膨润土的空隙率和表面积增加,焙烧还使得膨润土的空隙率和表面积增加,
12、有利于阳离子交换容量的增加。有利于阳离子交换容量的增加。改性膨润土在废水处理中的应用改性膨润土在废水处理中的应用(1) 处理含油废水处理含油废水(2) 处理重金属废水处理重金属废水 含含Hg、Cd、Pb、Cr、As、Zn、Cu、Co、Ni、等重金属废水主要来源于金属矿山、冶炼、电解、等重金属废水主要来源于金属矿山、冶炼、电解、电镀等工业。研究表明电镀等工业。研究表明,膨润土对重金属离子有一膨润土对重金属离子有一定的吸附能力定的吸附能力,且通过对膨润土改性且通过对膨润土改性,可显著提高可显著提高其对重金属离子的去除能力。其对重金属离子的去除能力。 (3) 印染废水脱色印染废水脱色 近年来用改性膨
13、润土对印染废水进行脱近年来用改性膨润土对印染废水进行脱色处理取得了一定进展。将钙基膨润土酸性色处理取得了一定进展。将钙基膨润土酸性活化后对印染废水进行脱色处理,其一次性活化后对印染废水进行脱色处理,其一次性COD去除率达去除率达76%,色度去除率达,色度去除率达87%。若。若经双层滤料柱过滤处理,色度去除率达经双层滤料柱过滤处理,色度去除率达93%以上,以上,COD去除率达去除率达78%。可见,膨润土对。可见,膨润土对印染废水有较好的处理效果,是一种高效价印染废水有较好的处理效果,是一种高效价廉的染料废水吸附剂。廉的染料废水吸附剂。(1) 在垃圾填埋场中的应用在垃圾填埋场中的应用 垃圾填埋是世
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