[发明专利]一种净化重金属污泥微纳米矿质材料及其制备方法

说明书

技术领域

沸石、皂土、凹凸棒等污泥处理剂本身是一种高活性过滤器，对污染物产生过滤、稀释等物理效应。污泥处理剂具有物理性质、胶体性质、配位和螯合作用、氧化还原性质及类土壤的自净化作用等。污泥中的有机、无机污染物不能直接进入土壤系统，由于污泥中絮凝剂的潜育性固化作用，能严重破坏土壤结构，使土壤变成不透水，不透气的废耕土地；含重金属的污泥不能做肥料进入作物系统，可以使粮食、蔬菜受重金属污染，危害人群身体健康；含重金属的污泥不能做垃圾填埋，含水量高，使土壤潜育化，腐烂发嗅，大量温室气体二氧化碳和甲烷排放，破坏土壤、污染地下水和大气环境。污泥处理剂吸附作用对重金属等污染物的迁移转化所产生的化学、生物化学反应有显著的净化、代谢作用。污泥处理剂的分散程度越高，土粒直径越小，其总表面积就越大，比表面大的物质具有较高的表面能，表现出胶结、吸附及其他不同的物理及物理化学性质。例如，细颗粒具有特别大的胶结性和吸附能力。一般污泥处理剂内部空间并没有全部被填满，它总是按一定方式排列，其间有许多孔隙，孔隙系统包括大量形状及大小各异的粒间孔隙，它们之间被比孔隙本身直径还小的通道互相联结。吸附重金属离子以后呈溶胶状态，与其他金属离子均形成难溶的絮凝态物质，同时也吸持了有毒的重金属离子，缓解其对植物的毒害。无机胶体包括次生黏土矿物、铁铝水合氧化物、含水氧化硅两性胶体。次生黏土矿物主要有蒙脱石、伊利石、高岭石，均是粒径小于5nm的层状铝硅酸盐，对土壤中分子态、离子态污染物有很强的吸附能力。其原因是：黏土矿物颗粒微细、具有很大的表面积，其中以蒙脱石类表面积最大(600～800 m2/g)，它不仅有外表面，而且有巨大的内表面；伊利石次之(100～200 m2/g)，高岭石最小(7～30 m2/g)；巨大的表面积伴随产生巨大的表面能，因此能够吸附污泥中的气、液态污染物。

背景技术

黏土矿物带负电荷，阳离子交换量高，对于污泥中离子态污染物有较强的交换固定能力；蒙脱石和高岭石的阳离子交换容量分别为80～120、3～15 mequiv/100g。据研究，蒙脱石类永久负电荷占总负电荷量的95%，伊利石占60%，高岭石占25%。高岭石吸附的金属阳离子位于晶格表面离子交换点上，易被解吸；而蒙脱石、伊利石吸附的盐基离子部分位于晶格内部，不易解吸。阳离子交换吸附是指胶体对离子态物质的吸附和保持作用，实际是胶体分散系统中扩散层的阳离子与污泥溶液中的阳离子相互交换达到平衡的过程。它有以下三个特点，阳离子吸附过程是一种可逆反应的动态平衡。进入污泥处理剂的金属离子浓度愈高、价态愈高，则愈易被胶体吸附。阳离子交换量是等量进行的。各种阳离子被胶体物质吸附的亲和力大小各不相同。对同价离子，离子半径愈小，愈易被吸附，胶体吸附金属离子的能力还常常受到污泥处理剂配比条件的影响。不同胶体物质所能交换的阳离子量不同。决定土壤重金属吸附量的因素首先是污泥处理剂交换量，不同黏土矿物对金属离子的吸附亲合力顺序是不一样的。例如： 蒙脱石对二价金属离子的吸附顺序为：Ca2+＞Pb2+＞Cu2+＞Mg2+>Cd2+＞Zn2+； 高岭石为：Pb2+＞Ca2+＞Cu2+＞Mg2+＞Zn2+＞Cd2+； 伊利石为：Pb2+＞Ca2+＞Zn2+＞Cu2+＞Cd2+。污泥处理剂对重金属离子等的吸附作用和螯合作用可同时发生。当重金属离子浓度高时以交换吸附为主，低浓度时以螯合作用为主。污泥处理剂结合金属离子能力的顺序为：Pb＞Cu＞Ni＞Co＞Zn＞Mn＞Mg＞Ba＞Ca＞Hg＞Cd。所以有机胶体对金属离子的吸附总贡献小于无机胶体，但土壤有机胶体对污染物，特别是有机污染物的迁移转化及生物效应有重要的影响。污泥处理剂对重金属及农药的吸附，对于控制它们在土壤植物系统中的迁移起着重要作用。如土壤中重金属元素的活性在很大程度上取决于土壤的吸附作用。土壤中的黏土矿物和腐殖质对重金属有很强的吸附能力，能降低重金属的活性。土壤的上述性质对污染物的迁移转化有很大的影响。如土壤胶体能吸附各种污染物并降低其活性，微生物对有机污染物有特殊的降解作用，使得土壤具有优越的自身更新能力，而无须借助外力。土壤的这种自身更新能力，称为土壤的自净作用。污染物进入土壤后，其自净过程大致如下：污染物在土壤内经扩散、稀释、挥发等物理过程降低其浓度；经生物和化学降解为无毒或低毒物质，或通过化学沉淀、配合或螯合作用、氧化还原作用转化为不溶性化合物，或是被土壤胶体牢固吸附，难以为植物吸收，而暂时退出生物小循环，脱离食物链或被排至土体之外的大气或水体中。蒙脱石和高岭石等强于土壤的自净能力，蒙脱石和高岭石净化能力与污泥的物质组成和其他特性及污染物的种类、性质有关。不同矿质材料的自净能力是不同的，同一矿质材料对不同污染物的净化能力也是有差异的。总的来说，矿质污泥净化材料的自净速度比较快，污染物进入矿质净化材料后较难解析出来。