磁性膨润土树脂的性能研究
目 录
1 绪论 5
1.1 水中天然有机物污染及危害 6
1.2 国内外去除水体天然有机物技术现状 6
1.3研究意义 8
1.3.1 膨润土 8
1.3.2 膨润土在水处理中的应用 8
1.3.3 树脂在水处理中的应用 9
1.4本文研究 10
2实验部分 10
2.1 实验方法 10
2.1.1磁性膨润土树脂的制备 10
2.2表征方法 13
2.2.1傅里叶一红外光谱分析（FT-IR）： 13
2.2.2 SEM扫描电镜： 13
2.3腐殖酸吸附性能试验 14
2.3.1 测定原理 14
2.3.2腐殖酸标准曲线的绘制 14
2.3.3 磁性膨润土树脂等温吸附曲线 15
2.3.4磁性膨润土树脂吸附动力学 15
2.4 实验仪器与药品 15
2.4.1 实验仪器 15
2.4.2实验药品 16
3 结果与讨论 18
3.1磁性膨润土树脂材料表征 18
3.1.1 材料的红外分析 18
3.1.2 SEM电镜分析 19
3.2对有机物的吸附性能 20
3.2.1 吸附动力学 20
3.2.2 等温吸附曲线 23
结论与展望 26
致 谢 28
参考文献 29
1 绪论
水中的天然有机污染物是指可以造成人体中毒或者引起环境污染的有机物质，它们在水中的含量虽不高，但因在水体中残留时间长，有蓄积 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
性。长期饮用此类水源水，会造成人体慢性中毒、致癌等。
因此，水中有机物的去除已成为水处理的一项重要内容。[1]目前, 研究较多的有臭氧氧化、活性炭吸附、光催化氧化、高猛酸钾化法等, 但普遍存在设备和运行费用较高等不足之处。本文提出一种新的去除水中微量有机污染物的方法——磁性膨润土树脂吸附法。[2-6]
1.1 水中天然有机物污染及危害
20 世纪70 年代起,人们就发现水源水中天然有机物(natural organic matter , NOM)导致的一些问题：天然有机物可携带金属和疏水性有机化学物质；天然有机物会促进管网系统的腐蚀和微生物再生长(特别是在处理工艺中使用了氧化剂)；天然有机物会引起水的色度和味道的变化；天然有机物对其他污染物的去除有干扰；天然有机物会促进消毒副产物的产生。[6]
随着现代工业的迅猛发展和生活水平的提高，环境污染不断加剧，在越来越多的饮用水水源中检测出了数以百计的有机污染物。这些种类繁多的有机物，绝大部分对人体有急性或慢性、直接或间接的致毒作用，有的还能累积在人体组织内部, 改变细胞的DNA 结构，对人体组织产生致癌变、致畸变和突变的作用。[7-8]
1.2 国内外去除水体天然有机物技术现状
目前，采用较多的去除天然有机物的方法主要有：活性炭吸附、颗粒活性炭吸附和膜过滤，紫外（UV）光解技术，生物活性炭工艺，磁性离子交换树脂，粉末活性炭+超滤工艺，臭氧+混凝工艺等。
活性炭去除 NOM 基本上是通过吸附可溶性 NOM、物理过滤颗粒 NOM，如果在活性炭上形成微生物，则会产生对可生物降解的 NOM 生物降解作用.粉末活性炭（PAC）在处理有机物含量较高的污染水源时，效果较好，但因为其后续的回收操作困难，通常都是在发生重大污染事故时应急使用。[9-10] 膜过滤是一种单一的物理过程，在此过程中不需要向原水中添加任何药剂。但经过长期使用后，由于浓差极化、表面污染及膜孔的堵塞，会导致膜通量、产水率的降低，及过膜压差、耗电功率增大等其它一系列的问题，大大降低了膜的分离效率。而膜的清洗困难，所以膜过滤所面临的最大挑战是膜污染，这也是膜工艺在水厂中大规模应用的瓶颈。[11]紫外（UV）光解技术被广泛用于消毒的目的，虽然单独 UV 光解已被证明能够改变天然有机物的化学和生物特性，但研究发现：只有在高剂量、高强度紫外线照射下，NOM才能够被降级。[12]陆少鸣等[13]采用高速给水生物处理工艺对南方地区的微污染原水进行生物预处理，滤速达到了16 m/h。郭春辉等[14]以安徽淮南段淮河水源水为研究对象研究了生物活性炭循环床工艺处理微污染水源水的效能。当进水氨氮浓度为0.96-2.32mg/L 时，循环床工艺对氨氮的去除率在 50%左右，处理效果较好，但是该工艺对浊度的去除效果较差。MIEX?是一种带有氨基的强碱性树脂，它具有聚丙烯酸结构。孔径大约150～180μm。在适当的条件下，MIEX?可去除 60%的天然有机物（以 DOC计）。MIEX?的最新进展是流化床磁性离子交换树脂。流化床磁性离子交换树脂柱对水中或废水中的有机物有很好的去除效果。[15]化学预氧化是指在进行常规水处理工艺之前，通过投加氧化剂，依靠其氧化能力破坏水中污染物及胶体颗粒表面的性质及化学结构，从而有利于后续的混凝作用效果。[17]低剂量的臭氧会产生一些疏水性、中性的中间产物，这些可被混凝很容易的去除；高剂量的臭氧会产生亲水性的、小分子量的化合物，这些物质很难被混凝去除。粉末活性炭(PAC)和超滤(UF)能够很好的充分发挥双方的功能，然而，PAC可以减轻不可逆性膜污染，从而减少化学清洗的次数[18]。
在上述的研究方法中，近年来出现的磁性离子交换树脂（MIEX?）成为人们研究的热点。它可同时去除水中有机和无机污染物，如硫酸盐，硝酸盐或磷酸盐等，也可有效地去除带负电荷的天然有机物。MIEX?可以很容易地再生，即使经过多次再生，仍具有同样的有机物去除效率。人们常用 MIEX?作为混凝前的预处理而提升混凝效率、减少混凝剂用量（高达60％）和减少污泥产量[16]。MIEX?被认为是去除水中 NOM 有效、有前景的工艺。MIEX?可去除小分子量的有机物（500～1000Da），同样可去除亲水性的化合物，如富里酸。当用 MIEX?预处理后，形成的絮体会更大，更耐剪切。
1.3研究意义
1.3.1 膨润土
膨润土是以蒙脱石为主要组成成分的一类含水粘土矿物，它由于具有一系列独特的性能，如脱色性、膨胀性、触变性、催化性、點结性、悬浮性、吸附性、阳离子交换性以及可塑性等，从而被广泛用于工业的各个领域。它属于2:1型层状粘土矿物，是由两个硅氧四面体片层和一个插入其间的铝/镁氧/羟基八面体片层组成的。
在四面体和八面体中，高价的硅离子和铝离子可被其它低价阳离子置换，如四面体中的Si4 +可小部分被Al3 +置换，而八面体中的Al3 +可被Mg2 +、Na+、Ca2 +等置换。通过这种置换使蒙脱石晶胞带负电荷，成为一个大的负离子，从而使它具有吸附某些阳离子的能力，但这些阳离子与晶体的结合不牢固，易被其它低价离子所置换。这些离子的交换作用主要是在晶层间进行的，因此并不影响蒙脱石的结构，但不同的层间阳离子，对蒙脱石的物化性能有较大影响。这些层间阳离子同时具有较强的水合作用，能够在层间吸附相当于自身体积8-20倍的水而膨胀至30倍，在水介质中能分散呈胶体悬浮液，因此在水中具有较大的膨胀性。又由于蒙脱石矿物晶粒细小，具有较大的比表面积，且层间作用力较弱，在溶剂作用下易发生剥离、膨胀、分离而形成更薄的单晶片，使蒙脱石具有较大的内表面积，因此膨润土具有较高的吸附能力。膨润土因其特殊的晶体结构，具有良好膨胀性、吸附性、阳离子交换性，尤其钠基膨润土和经钠化改性的膨润土吸水润胀能力很高，较大的内、外表面积，为许多客体物质进行层间复合或插入反应提供了有利的条件。
1 绪论 5
1.1 水中天然有机物污染及危害 6
1.2 国内外去除水体天然有机物技术现状 6
1.3研究意义 8
1.3.1 膨润土 8
1.3.2 膨润土在水处理中的应用 8
1.3.3 树脂在水处理中的应用 9
1.4本文研究 10
2实验部分 10
2.1 实验方法 10
2.1.1磁性膨润土树脂的制备 10
2.2表征方法 13
2.2.1傅里叶一红外光谱分析（FT-IR）： 13
2.2.2 SEM扫描电镜： 13
2.3腐殖酸吸附性能试验 14
2.3.1 测定原理 14
2.3.2腐殖酸标准曲线的绘制 14
2.3.3 磁性膨润土树脂等温吸附曲线 15
2.3.4磁性膨润土树脂吸附动力学 15
2.4 实验仪器与药品 15
2.4.1 实验仪器 15
2.4.2实验药品 16
3 结果与讨论 18
3.1磁性膨润土树脂材料表征 18
3.1.1 材料的红外分析 18
3.1.2 SEM电镜分析 19
3.2对有机物的吸附性能 20
3.2.1 吸附动力学 20
3.2.2 等温吸附曲线 23
结论与展望 26
致 谢 28
参考文献 29
1 绪论
水中的天然有机污染物是指可以造成人体中毒或者引起环境污染的有机物质，它们在水中的含量虽不高，但因在水体中残留时间长，有蓄积 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
性。长期饮用此类水源水，会造成人体慢性中毒、致癌等。
因此，水中有机物的去除已成为水处理的一项重要内容。[1]目前, 研究较多的有臭氧氧化、活性炭吸附、光催化氧化、高猛酸钾化法等, 但普遍存在设备和运行费用较高等不足之处。本文提出一种新的去除水中微量有机污染物的方法——磁性膨润土树脂吸附法。[2-6]
1.1 水中天然有机物污染及危害
20 世纪70 年代起,人们就发现水源水中天然有机物(natural organic matter , NOM)导致的一些问题：天然有机物可携带金属和疏水性有机化学物质；天然有机物会促进管网系统的腐蚀和微生物再生长(特别是在处理工艺中使用了氧化剂)；天然有机物会引起水的色度和味道的变化；天然有机物对其他污染物的去除有干扰；天然有机物会促进消毒副产物的产生。[6]
随着现代工业的迅猛发展和生活水平的提高，环境污染不断加剧，在越来越多的饮用水水源中检测出了数以百计的有机污染物。这些种类繁多的有机物，绝大部分对人体有急性或慢性、直接或间接的致毒作用，有的还能累积在人体组织内部, 改变细胞的DNA 结构，对人体组织产生致癌变、致畸变和突变的作用。[7-8]
1.2 国内外去除水体天然有机物技术现状
目前，采用较多的去除天然有机物的方法主要有：活性炭吸附、颗粒活性炭吸附和膜过滤，紫外（UV）光解技术，生物活性炭工艺，磁性离子交换树脂，粉末活性炭+超滤工艺，臭氧+混凝工艺等。
活性炭去除 NOM 基本上是通过吸附可溶性 NOM、物理过滤颗粒 NOM，如果在活性炭上形成微生物，则会产生对可生物降解的 NOM 生物降解作用.粉末活性炭（PAC）在处理有机物含量较高的污染水源时，效果较好，但因为其后续的回收操作困难，通常都是在发生重大污染事故时应急使用。[9-10] 膜过滤是一种单一的物理过程，在此过程中不需要向原水中添加任何药剂。但经过长期使用后，由于浓差极化、表面污染及膜孔的堵塞，会导致膜通量、产水率的降低，及过膜压差、耗电功率增大等其它一系列的问题，大大降低了膜的分离效率。而膜的清洗困难，所以膜过滤所面临的最大挑战是膜污染，这也是膜工艺在水厂中大规模应用的瓶颈。[11]紫外（UV）光解技术被广泛用于消毒的目的，虽然单独 UV 光解已被证明能够改变天然有机物的化学和生物特性，但研究发现：只有在高剂量、高强度紫外线照射下，NOM才能够被降级。[12]陆少鸣等[13]采用高速给水生物处理工艺对南方地区的微污染原水进行生物预处理，滤速达到了16 m/h。郭春辉等[14]以安徽淮南段淮河水源水为研究对象研究了生物活性炭循环床工艺处理微污染水源水的效能。当进水氨氮浓度为0.96-2.32mg/L 时，循环床工艺对氨氮的去除率在 50%左右，处理效果较好，但是该工艺对浊度的去除效果较差。MIEX?是一种带有氨基的强碱性树脂，它具有聚丙烯酸结构。孔径大约150～180μm。在适当的条件下，MIEX?可去除 60%的天然有机物（以 DOC计）。MIEX?的最新进展是流化床磁性离子交换树脂。流化床磁性离子交换树脂柱对水中或废水中的有机物有很好的去除效果。[15]化学预氧化是指在进行常规水处理工艺之前，通过投加氧化剂，依靠其氧化能力破坏水中污染物及胶体颗粒表面的性质及化学结构，从而有利于后续的混凝作用效果。[17]低剂量的臭氧会产生一些疏水性、中性的中间产物，这些可被混凝很容易的去除；高剂量的臭氧会产生亲水性的、小分子量的化合物，这些物质很难被混凝去除。粉末活性炭(PAC)和超滤(UF)能够很好的充分发挥双方的功能，然而，PAC可以减轻不可逆性膜污染，从而减少化学清洗的次数[18]。
在上述的研究方法中，近年来出现的磁性离子交换树脂（MIEX?）成为人们研究的热点。它可同时去除水中有机和无机污染物，如硫酸盐，硝酸盐或磷酸盐等，也可有效地去除带负电荷的天然有机物。MIEX?可以很容易地再生，即使经过多次再生，仍具有同样的有机物去除效率。人们常用 MIEX?作为混凝前的预处理而提升混凝效率、减少混凝剂用量（高达60％）和减少污泥产量[16]。MIEX?被认为是去除水中 NOM 有效、有前景的工艺。MIEX?可去除小分子量的有机物（500～1000Da），同样可去除亲水性的化合物，如富里酸。当用 MIEX?预处理后，形成的絮体会更大，更耐剪切。
1.3研究意义
1.3.1 膨润土
膨润土是以蒙脱石为主要组成成分的一类含水粘土矿物，它由于具有一系列独特的性能，如脱色性、膨胀性、触变性、催化性、點结性、悬浮性、吸附性、阳离子交换性以及可塑性等，从而被广泛用于工业的各个领域。它属于2:1型层状粘土矿物，是由两个硅氧四面体片层和一个插入其间的铝/镁氧/羟基八面体片层组成的。
在四面体和八面体中，高价的硅离子和铝离子可被其它低价阳离子置换，如四面体中的Si4 +可小部分被Al3 +置换，而八面体中的Al3 +可被Mg2 +、Na+、Ca2 +等置换。通过这种置换使蒙脱石晶胞带负电荷，成为一个大的负离子，从而使它具有吸附某些阳离子的能力，但这些阳离子与晶体的结合不牢固，易被其它低价离子所置换。这些离子的交换作用主要是在晶层间进行的，因此并不影响蒙脱石的结构，但不同的层间阳离子，对蒙脱石的物化性能有较大影响。这些层间阳离子同时具有较强的水合作用，能够在层间吸附相当于自身体积8-20倍的水而膨胀至30倍，在水介质中能分散呈胶体悬浮液，因此在水中具有较大的膨胀性。又由于蒙脱石矿物晶粒细小，具有较大的比表面积，且层间作用力较弱，在溶剂作用下易发生剥离、膨胀、分离而形成更薄的单晶片，使蒙脱石具有较大的内表面积，因此膨润土具有较高的吸附能力。膨润土因其特殊的晶体结构，具有良好膨胀性、吸附性、阳离子交换性，尤其钠基膨润土和经钠化改性的膨润土吸水润胀能力很高，较大的内、外表面积，为许多客体物质进行层间复合或插入反应提供了有利的条件。
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