（环境工程专业论文）固定化生物累托石处理分散生活污水的研究.pdf

： j _ ， at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g s t u d yo nt r e a t i n gd i s p e r s i n g e s t a t es e w a g eb y i m m o b i l i z e dp i l l a r e dc l a ym i n e r a lm a t e r i a l s m a j o r：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：z h a n gl e i s u p e r v i s o r ：p r o f s u n j i a s h o u w u h a ni n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y w u h a n ，h u b e i4 30 0 7 4 ，p r c h i n a m a y ，2 0 0 7 068908 1y 毛 j 捅要 摘要 本文以开发利用累托石资源为目的，围绕改性累托石微生物的固 定化和应用进行了一系列的研究工作。以累托石为载体，将驯化后的 活性污泥以包埋的方式固定化后用于废水处理试验，为累托石的开发 利用及其处理生活污水提供了科学依据。通过本文系统研究，得到的 主要研究成果如下： 1 根据粘土矿物的特性，在总结已有研究成果的基础上，制备了 c h i t o s a n 改性累托石。 2 由单因素试验和正交试验得到制备固定化生物累托石最优条 件，制成的生物累托石为有一定弹性和韧性的小球j 且与累托石粉末 的颜色基本一致。 3 通过对固定化生物累托石进行傅立叶变换红外光谱分析表明 固定化后醇羟基已进入累托石层间；x 射线粉晶衍射分析表明醇羟基 进入累托石层间后将其层间距撑开；扫描电镜结果表明固定化生物累 托石颗粒具有多孔结构，而且内部孔洞比表面孔洞大，这种外密内疏 的结构可以有效防止包埋累托石与活性污泥的流失，而且为微生物的 生长和物质交换提供了空间和条件。 4 c h i t o s a n 改性累托石粉末和固定化生物累托石均能较好的用 l a n g m u i r 公式和f r e u n d l i c h 公式来描述，c h i t o s a n 改性累托石粉末的 o 0 9 5 5 c e 打 皇一 线性关系更好。累托石粉末的l a n g m u i r 表达式为：”1 + 1 9 7 c e ， f r e u n d l i c h 表达式为：吼。0 0 3 1 6 c , 。舵；固定化生物累托石的l a n g m u i r 表 0 0 2 9 7 c e 达式为：吼。再五面瓦，f r e u n d l i c h 表达式为：q 。t0 0 0 3 1 6 c ? 凹。 5 活性污泥固定化后微生物的活性比固定前有所降低，但通过在 c o d 为4 0 0 m g l 的污水中培养7 d 后，微生物的活性基本得到恢复且 固定化生物累托石的机械强度较好。 6 固定化生物累托石污水处理体系中具有较强的适应能力，如温 度，进水浓度，p h 值等环境因素改变时，对其处理效果的影响较小， 武汉工程大学硕士学位论文 这说明该技术用于生活污水处理更具普适性。 7 根据试验结果，通过反应扩散基本方程的计算表明：固定化 生物累托石处理生活污水体系降解c o d 的过程是由基质扩散控制的， 当颗粒粒径为3 m m 时，氧浓度随着半径的减少而迅速下降，当半径在 o o 8 m m 的范围内，微生物处于缺氧甚至厌氧状态。 关键词：固定化生物累托石分散型生活污水 创新点： 1 用聚乙烯醇包埋法同时固定累托石和微生物。制备了既具有 吸附性能又具有生物活性的固定化生物累托石环境材料，该法操作简 单、成品机械强度较高且成本低廉，有利于实现工业化生产。 2 固定化生物累托石能充分利用累托石的吸附作用和活性污泥 的生物降解作用，而大大提高了污水处理效率，且能使生物累托石能 长期处于饥饿状态，而大大延长了累托石的使用寿命。 3 固定化生物累托石在处理污水时，表现出较强的适应能力， 耐冲击负荷，出水水质较稳定，为分散生活污水处理提供了新的选择 途径。 4 探讨了固定化生物累托石的的吸附机理和生物降解反应历程。 llliiii【i【iliiiiiii【llili卜 a b s t r a c t i：ti_7 i i i i i i i i i i i i i i 赢i i i i 宣i i i i 宣 a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e dt h ei m m o b i l i z a t i o n a n dt h e a p p l i c a t i o no f r e c t o r i t eb yd i f f e r e n tc o n d i t i o no nt h eb a s i so ft h ed e v e l o p m e n ta n d u t i l i z a t i o no ft h er e c t o r i t e t h e p i l l a r e dr e c t o r i t ea n da c t i v a t e ds l u d g e e m b e d d e di ni m m o b i l i z e db i o l o g i c a lr e c t o r i t et h a tb ea c c l i m a t e dt o a s e r i e so f a p p l i c a t i o n s t u d i e s a n dt h er e s e a r c ho f f e r e d s c i e n t i f i c f o u n d a t i o nf o r t h er e c t o r i t e s p r e p a r a t i o na n da p p l i c a t i o na n dt h e t r e a t m e n to fd i s p e r s i n ge s t a t es e w a g e t h em a i lp r o d u c t i o n sa r el i s t e da s f o l l o w s 1 a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc l a ym i n e r a l s ，b a s e do nt h e p e r f o r m a n c ea n dt h ec o s t ，t h ec h i t o s a n p i l l a r e dr e c t o r i t ee n v i r o n m e n t m a t e r i a lw a s p r e p a r e do n t h eb a s i so fs u m m i n g u pt h er e s e a r c hr e s u l t s 2 b a s e do ns i n g l ef a c t o re x p e r i m e n ta n d o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，t h e o p t i m a lc o n d i t i o n so np r e p a r a t i o ni m m o b i l i z e db i o l o g i c a lr e c t o r i e sc o u l d b es u r e t h ep r o d u c tw e r ec e r t a i na m o u n to f f l e x i b i l i t ya n d r e s i l i e n c eo f s m a l lb a l l s ，w e r et h es a m e g r a yw i t hr e c t o r i t e 3 t h er e s u l t so ff t - i rs p e c t r u m ( f t i r ) ，x r a y d i f f r a c t i o n ( x r d ) s h o w e d ：t h ei n t e r l a y e rh i g ho fi m m o b i l i z e dr e c t o r i t eh a si n c r e a s e d ，a n d h a dh i g h e rt h e r m a ls t a b i l i t ya n dm o r e h y d r o x y lt h a nb e f o r e t h er e s u l t s o fs c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p ys h o w e d ：t h ei m m o b i l i z e db i o l o g i c a l r e c t o r i e sp a r t i c l e sh a v ep o r o u ss t r u c t u r e ，a n dt h es u r f a c ea r e ao fi n t e r n a l i sb i g g e rt h a nt h a to fp o r e t h i ss t r u c t u r ec a nb ee f f e c t i v ei np r e v e n t i n g t h el o s so fr e c t o r i t ea n da c t i v a t e ds l u d g e ，a n dp r o v i d et h e s p a c ea n d c o n d i t i o nf o rt h eg r o w t ho f m i c r o o 玛a n i s m sa n dm a t e r i a le x c h a n g e 4 t h ep r o c e s so ft r e a t m e n to fs e w a g eb yc h i t o s a n p i l l e dr e c t o r i e s a n di m m o b i l i z e dr e c t o r i e sc a nm e e tt h el a n g m u i rf o r m u l aa n df r e u n d l i c h f o r m u l a t h ec h i t o s a n p i l l e dr e c t o r i e sl i n e a rw e r eb e t t e r , t h el a n g m u i r e q u a t i o no fr e c t o r i e sp o w d e r ： 吼2 r e c t o r i e sp o w d e r ： 0 0 9 5 5 c p 1 + 1 9 7 c e ，t h ef r e u n d l i c he q u a t i o no f t h el a n g m u i re q u a t i o no fi m m o b i l i z e d 珊 f，jjjjiliiiiiiiiiiiijjlllililiiiiiiiiii_ 翠 武汉工程大学硕士学位论文 r e c t o r i e s ： 吼。 o 0 2 9 7 1 + 1 1 2 9 c e ，t h e f r e u n d l i c h e q u a t i o n o fi m m o b i l i z e d r e c t o r i e s ：吼一0 0 0 31 6 c 5 i nt h ep r o c e s so fi m m o b i l i z a t e da c t i v a t e ds l u d g e ，m i c r o b i a l a c t i v i t ym u s tb ei m p a c t e da n dl o w e rt h a nt h a ti nu n i m m o b i l i z a t i o n a f t e r a7d a y s c u l t u r ei nt h es e w a g ec o d 4 0 0 m g l ，m i c r o b i a la c t i v i t yc a nb e r e s u m e da n dh a v eg o o d i n t e n s i t y 6 a f t e ri m m o b i l i z a t i o n ，t h ee f f e c to fe n v i r o n m e n t a lf a c t o r ss u c ha s t e m p e r a t u r e ，i n f l u e n tc o n c e n t r a t i o n ，p hv a l u et os e w a g ei sal i t t e r t h i s s h o w st h a tt h ei m m o b i l i z e ds y s t e m sa b i l i t yt oa d a p tt ot h ee n v i r o n m e n ti s s t r o n ga n dt h et r e a t m e n to fs e w a g eb yi m m o b i l i z e db i o l o g i c a lr e c t o r i t ei s c o m m o na n df e a s i b l e 7 a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft e s t ，t h er e a c t i o n - d i f f u s i o ne q u a t i o n b a s e do nt h er e s u l t ss h o w ：t h ep r o c e s so fd e g r a d a t i o no fc o d b y i m m o b i l i z a t i o ns y s t e mb ec o n t r o l e dm a t r i xd i f f u s i o nk i n e t i c s w h e nt h e d i a m e t e ro fi m m o b i l i z a t i o ns y s t e mi s3 m m ，w i t ht h ed e c r e a s eo fr a d i u s t h ec o n c e n t r a t i o no fo x y g e ni sr a p i d l ys h r i n k w h e nt h ed i a m e t ei sl e s s t h a n0 8 m m ，e v e na n a e r o b i cm i c r o o r g a n i s m si nas t a t eo fh y p o x i a k e yw o r d s ： i m m o b i l i z e d b i o l o g i c a lr e c t o r i t e d e c e n t r a l i z e d s e w a g e 一 a b s t r a c t im 一i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i 置 i n n o v a t i o n ： 1 、t h em e t h o do fe m b e d d i n g b yp v a c o u l db eu s e df o ri m m o b i l i z e d r e c t o r i t ea n dm i c r o b i o l o g e ，p r e p a r e dt h ei m m o b i l i z e db i o l o g i c a lr e c t o r i t e m a t e r i a lw i t hb i o l o g i c a la c t i v i t y t h er e s u l t so ft e s ts h o w ：t h em e t h o di s s i m p l e ，t h ec o s to fi m m o b i l i z a t i o nr e c t o r i t ei sl o wa n dt h em e c h a n i c a l s t r e n g t ho fi m m o b i l i z a t i o nr e c t o r i t ei sh i g h t h em e t h o db es u i t a b l ef o r i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n 2 、t h i sp a p e rf o u n dt h ei m m o b i l i z e db i o l o g i c a lr e c t o r i t ec o u l d c o n j u n c tt h ea d s o r p t i o no fr e c t o r i t ew i t ht h eb i o d e g r a d a t i o no fa c t i v a t e d s l u d g e d u et oa d s o r p t i o na n db i o d e g r a d a b l e ，t h ee f f e c to ft r e a t m e n t c o u l db ei m p r o v e dm o s t l y , t h ea d s o r p t i o no fr e c t o r i t ec o u l da c c r u e di na l o n gt i m ea n dt h el i f eo fr e c t o r i t ec o u l db eg r e a t l ye x t e n d e d 3 、t h i sp a p e rf o u n dt h e a b i l i t y o ft h ei m m o b i l i z e db i o l o g i c a l r e c t o r i t ea d a p tt ot h es e w a g ei ss t r o n g t h eq u a l i t yo ft h ew a t e ro u t f l o w w a s r e l a t i v e l ys t a b l e t h i sm a t e r i a lp r o v i d ean e wo p t i o nf o rt h et r e a t m e n t o fd e c e n t r a l i z e ds e w a g e 。 4 、t h i sp a p e r s t u d yt h em e c h a n i s mo f t h ea d s o r p t i o no fi m m o b i l i z e d b i o l o g i c a lr e c t o r i t ea n dt h eb i o d e g r a d a t i o no ft h er e a c t i o nt os e w a g e v ，p - 目录 i iii i 第1 章绪论1 1 1研究的目的和意义1 1 2累托石矿物的研究现状与进展3 1 2 1 累托石的矿物学特征4 1 2 2 累托石的结构特征5 1 2 3 累托石的物化性质和工艺性能6 1 2 4 累托石的开发利用现状8 1 3成型技术及其在水处理中的应用9 1 3 1 造粒技术及其在水处理中的应用一1 0 1 3 2 固定化技术及其在水处理中的应用1 l 1 4生活污水处理现状1 4 1 4 1 生活污水排放情况1 4 1 4 2 生活污水处理概况1 6 1 4 3 生活污水处理技术现状水平1 8 1 4 4 生活污水处理发展趋势和存在问题2 0 1 5本课题研究目的、意义和内容2 0 第2 章试验材料、药剂、仪器及分析方法2 3 2 1 试验材料2 3 2 2 试验用废水2 3 2 2 1 红墨水溶液2 3 2 2 2 模拟生活污水2 3 2 2 3 生活污水2 4 2 3试验用药剂2 4 2 4试验用仪器设备2 5 2 5试验方法2 6 2 5 1 微生物的培养驯化方法2 6 2 5 2c h i t o s a n 改性累托石的制各方法2 7 2 5 3c t m a 8 改性累托石的制备方法2 8 武汉工程大学硕十学位论文 i i i 宣iii- 一i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣 2 5 4 固定化生物累托石的制备方法2 8 2 5 5 红墨水吸附试验3 0 2 5 8 c o d 降解试验：3 0 2 5 7 耗氧量测定试验3 0 2 6分析测试方法3 0 2 6 1 红墨水去除率的测定3 0 2 6 2 化学需氧量的测定3 l 2 6 3 氨氮的测定3 1 第3 章固定化生物累托石的制各3 3 3 1固定化试剂的选择3 3 3 2固定化材料基本性能3 5 3 2 1固定化材料的物化性能3 5 3 2 2 固定化材料的成型原理3 7 3 2 3 固定化材料对于细胞活性的影响3 9 3 3固定化生物累托石的制备4 0 3 3 1 聚乙烯醇用量对吸附性能的影响4 0 3 3 2 海藻酸钠用量对吸附性能的影响4 2 3 3 3 改性累托石对吸附性能的影响4 4 3 3 4 改性累托石用量对吸附性能的影响5 0 3 3 5 硼酸中浸泡时间对吸附性能的影响5 2 3 3 6 活性污泥用量对吸附性能的影响5 3 3 3 7 正交试验5 5 3 4本章小结5 8 第4 章固定化累托石的表征和吸附机理6 1 4 1固定化累托石的表征6 1 4 1 1 傅立叶变换红外光谱分析( f v r i r ) 6 1 4 1 2 松散堆积密度6 3 4 1 3 x 射线粉晶衍射( x r d ) 分析6 3 叩 目录 i i i l i l 4 1 4 固定化生物累托石颗粒的结构6 5 4 2固定化累托石吸附红墨水的机理6 6 4 2 1 累托石粉末吸附红墨水的机理6 6 4 2 2 固定化累托石吸附红墨水的机理6 7 4 2 3 吸附等温线6 8 4 2 4 吸附速率7 2 4 3本章小结7 5 第5 章固定化生物累托石的复苏和物理性能测试7 7 5 1固定化生物累托石的复苏试验7 7 5 1 1 对模拟生活废水c o d 降解试验7 7 5 1 2 微生物的耗氧测试7 8 5 1 3 微生物的增殖测试8 0 5 2固定化生物累托石的物理性能测试8 l 5 2 1 机械强度8 l 5 2 2 传质性能8 l 5 2 3 粒径大小8 2 5 2 4 其他8 2 5 3本章小结8 3 第6 章固定化生物累托石处理水试验8 5 6 1固定化生物累托石吸附试验8 5 武汉 二程大学硕士学位论文 6 5固定化生物累托石连续处理生活污水的效果9 7 6 5 1c o d 的去除效果9 8 6 5 2 氨氮的去除效果9 9 6 6 本章小结1 0 1 第7 章固定化生物累托石处理生活污水机理探讨1 0 3 7 1 固定化生物累托石的生物降解动力学研究1 0 3 7 1 1 生物降解动力学模型的建立1 0 3 7 i 2 模型的分析，1 0 6 7 1 3 模型的拟合1 0 8 7 2固定化生物累托石内溶氧传递过程研究1 0 9 7 2 1 氧气在包埋颗粒内的扩散模型1 0 9 7 2 2 固定化生物累托石内浓度分布计算1 1l 7 3本章小结1 1 2 第8 章废弃固定化生物累托石的处置方法1 1 3 第9 章结论和建议1 1 5 9 1结论1 1 5 9 2建议1 1 7 9 2 1 存在的问题1 1 7 9 2 2 建议1 1 7 参考文献11 8 攻读学位期间发表的学术论文1 2 3 致谢1 2 4 第1 章绪论 1 1研究的目的和意义 第1 章绪论 改革开放以来，我国城市化也进入快速发展时期，城市数量与规 模的迅速增加与扩张，带来了严重的城市生活污水问题。近1 0 年来， 我国城市生活污水排放量每年以5 的速度递增，1 9 9 9 年城市污水污 染负荷首次超过了工业废水污染负荷【1 1 0 我国水污染的重点已经从工 业点源为主的控制，逐步转变为以城市污水污染为主的控制。 近十年来，武汉市工业废水排放量增加的速度低于城市生活污水 排放量增加的速度。工业废水处理率不断上升，1 9 9 7 年工业废水处 理率达8 2 2 7 ，外排工业废水达标率为7 4 4 3 ，而城市污水处理率 不足1 ，2 0 0 0 年工业废水处理率已达9 5 0 5 ，排放达标率达9 0 7 8 。 但在企业污水处理取得成效的同时，市政生活污水处理设施仍明显不 足，而全市污水处理能力也不过1 5 万吨，处理率只有6 4 ，低于全 国3 1 7 0 的平均水平1 2 。武汉是“千湖之省”湖北省的省会，据2 0 0 6 年武汉市水环境状况报道：2 0 0 6 年全市污水排放总量是6 5 7 亿吨， 其中工业废水排放量为2 4 8 亿吨，占3 7 7 ，生活污水排放量为4 0 9 亿吨，占6 2 3 ，至2 0 0 6 年底，全市城市生活污水日处理能力达1 5 9 万吨，城市集中污水处理率达到7 1 1 t 3 1 。根据武汉市城市总体规划 及具体实施安排，在2 0 1 0 年前分两期建成污水处理厂1 0 座，建设完 成后，武汉市城区污水处理服务面积为4 7 9 k m z ，按国家有关考核规 定，受益人口达到4 2 8 1 万人，至2 0 2 0 年，武汉市城区污水处理服 务人口达到5 8 0 8 万人。 上述是生活污水集中处理的现状和规划，而对于城郊的小城镇和 市政管网铺设不到的生活区域，污染治理的形势就更加严峻了，探索 适合分散型的经济实用的污水处理工艺，以较少的投资建成污水处理 厂，以较低的运行费用运转污水处理厂，达到消除污染、保护环境的 目的就显得尤为重要。污水分散治理【4 】可使庞大的处理投资和运行费 用由集中变为分散，较好地体现“谁污染谁治理”的原则，将主要靠 政府行为转变为排放者分别负担，缓解了提高污水治理率的经济制约 武汉工程大学硕士学位论文 - - i l i i i i i i i i i i i 葺 因素；而且在城市基础设施薄弱的中小城镇及新兴发展地区，排水管 网及其它配套设施往往落后于主体建设速度，分散治理表现出上马 快、易实施、配套要求低、效果显著的优点；再者对地理位置分散的 污染源，如新建小区、开发区、别墅等，由于节省了通向污水厂的长 距离排水管，处理后就近排放，总基建投资低，经济效益显著；所以 针对不同点源污水性质及排放去向，可以分别采用针对性较强的处理 工艺，灵活机动，提高了污水处理效果，有利于水环境污染控制【5 】。 生活污水处理工艺已经相当成熟，其核心技术为活性污泥法和生 物膜法，但这两种技术都适合用于大中型规模的污水处理，传统的活 性污泥法处理工艺在分散型生活污水处理较少使用。根据国内污水处 理技术的发展趋势 6 1 ，结合武汉市的具体情况，特别是远城区，目前， 对分散的污水处理采取经济、实用的物化处理工艺是很有必要的，利 用固定化生物累托石处理生活污水就是一种较好的工艺，且处理水达 到中水回用标准。 累托石 7 1 是一种罕见的规则粘土矿物，其晶体结构是由- - ) k 面体 云母层与- ) k 面体蒙脱石层规则相间叠置而成。是一种具有独特的结 构组成和性质的粘土矿物，即具有象蒙脱石一样的阳离子交换性、吸 水膨胀性、制浆性等，又具有象云母一样的耐高温性、光滑性和较低 的收缩性等。能耐高温，易粘结成型，烘干或烧结不产生裂纹。 累托石结构中的蒙脱石层问的水化阳离子，可被其它的有机、无 机阳离子及稀有元素交换，因此累托石经改性后可以制成改性累托石 专用制品。其层间及孔径在使用不同处理剂进行离子交换后，可形成 1 5 n 4 n m 之间的大孔径柱状二维结构，在大范围的酸碱、水热、温 度条件下保持稳定性。 固定化生物累托石是利用累托石的膨胀性、离子交换性和吸附性 能，将有机物引入到累托石的层间而将其撑开，并和活性污泥一起经 固定化处理后形成比较稳定的多孔凝胶状材料，成型剂聚乙烯醇已经 进入其层间与之形成不可分离的整体，增加了多孔凝胶状材料的强度 和弹性；同时，还为微生物生长提供了空间。利用累托石的吸附性能 和活性污泥的生物降解性能处理生活污水，解决了累托石粉末与活性 污泥难以回收的问题，容易实现泥水分离。 iillllilllliiillllillllillilll卜llllilll卜 第1 章绪论 i l i l li ii ii l ll ii ii i i i i 宣 本课题来源于湖北省科技厅国际重点合作项目( 2 0 0 5 q 蛔0 8 ) 中 的一部分研究内容，可以为分散的生活污水处理提供一种新方法。通 过对固定化累托石制备和其对生活污水处理的条件、机理探讨可以为 累托石的开发和利用提供科学依据，对充分利用湖北省累托石资源， 提高其附加值具有重要意义。 1 2累托石矿物的研究现状与进展 累托石是一种具有特殊结构，较为罕见的层状硅酸盐矿物。1 9 8 1 年国际矿物学会和矿物命名委员会将其定义为：“累托石是由二八面 体云母和二八面体蒙脱石组成的1 ：1 规则间层矿物 1 7 ) ( 见图1 1 ) 。 目前，累托石已成为一个矿族，它可分为三大类两个亚类。 我国已有1 0 多处发现累托石粘土岩。1 9 8 1 年曹正民首先对湖南 耒阳上堡黄铁矿矿床蚀变中的板石矿物( 累托石) 作了较细的报道， 张光荣、杨雅秀( 1 9 8 2 ) 等较细地报道了广西德保巴头二叠纪含煤岩 系中的累托石和累托石粘土岩，此后，在湖北、湖南、贵州、北京、 广西等地相继发现了累托石( 刘士盛，1 9 8 8 ；李萍等，1 9 9 0 ；张荣英 等1 9 8 7 ；黄关明，1 9 9 0 ；张乃娴等人，1 9 9 6 ) i s j 。 从发现区域来看，我国累托石矿主要分布于湖北、湖南和广西三 省。我国发现的累托石矿，除湖北钟祥、南漳县太坪的累托石具有一 定规模的矿床外，其它的均因产量小，而基本上无开采价值。 2 0 世纪9 0 年代以前，我国对累托石的研究主要集中在矿物学、 理化性质、工艺性能及其利用途径等方面的研究。而对累托石的材料 开发研究则始于2 0 世纪9 0 年代。陈济美【9 1 0 】用二甲基十八烷基羧乙 基季铵盐，三甲基十八烷基氯化铵制备有机累托石，并对其性质进行 了研究；孙冬兰【1 1 】在常温下合成钛改性累托石t i 0 2 c l r ：黄焱球【1 2 】 等人对累托石制备滑脂进行了初步研究；孙家寿【1 3 】对累托石进行改 性，制备出一系列用于污水处理的累托石产品；陆琦【1 4 】等人用t i c l 4 制备钛基柱层累托石；陈漾【1 5 】采用有机磷化合物对改性改性累托石进 行了改性研究；宋明全1 1 6 】介绍了累托石在造浆中的应用；陈济美1 1 7 1 研究了累托石在特种涂料中的应用。由于累托石的特殊结构和特性， 目前，它已成为人们开发和研究的热点。 武汉工程大学硕士学位论文 z 芝s x 、日矿镭一 ： 罢薯琶伸缈c = = 手气= o9 - ” 下溅。7 o ，： ： 激：- 翟嚣。 ：帮 b a 2 + s r 2 + c a 2 + m 9 2 + n i - h + k + n a + l i + ；常见的阴离子的置 换顺序为：o h c 0 3 2 i - b r a n 0 3 s 0 4 厶。顺序中的离子吸附能 力从左至右依次递减，颗粒先吸附了左边的离子，用右边的离子很难 去置换1 3 1 1 ，如钙基累托石，在与环境污水、环境废液或其它金属离子 相遇时，会发生如下吸附作用或离子交换反应：c a 2 + 累托石+ ( c u ，p b ， z n ，a g ，h g ，c d ，u ，t h 等) m + ( c u ，p b ，z n ，a g ，h g ，c a ，u 、t h 等) 一 累托石+ c a 2 + 。环境中上述元素u 和，n l 等被累托石固定，失去了进 一步污染环境的能力，从而达到治理环境的目的【3 2 1 。累托石细小的颗 粒对有机质有很强的亲合力，有机质不仅可以被吸附于颗粒表面，而 且也可以进入累托石的结构单位层之中，形成累托石有机阳离子复 合体，在环保中提高了累托石的使用效果，例如有机改性的累托石对 污染物的吸附能力大大提高。累托石结构层与层之间的几何空间层 间域，具有层间交换、层间吸附、层间催化、层间聚合、层间柱撑等 特性。结构层电荷、层间阳离子的种类、价态、氧化还原电位，直接 影响累托石的环境化学行为。 1 2 4累托石的开发利用现状 累托石具有与其它层状粘土矿物所不同的特殊结构和特性，因而 在众多领域得到广泛的应用。 ( 1 ) 累托石高温材料的开发 黄焱球f 1 2 】用它制备的润滑脂滴点 6 3 3 1 5 k ，且耐高温，是制备 高温润滑脂的种好原料。陈济美【1 7 】制备的有机累托石可作 w t _ 0 0 0 高温特种涂料；累托石经处理后形成的大孔径改性状结构， 具有在8 0 0 c 高温条件下保持结构及活性的水热稳定性。耐高温是累 托石的一个极其重要的性质i 在开发时，可以充分利用这一重要的性 质。 + 。( 2 ) 累托石层孔材料的开发 累托石经改性处理制备的累托石层孔材料具有大比表面积和大 孔径活性通道，其酸中心活性高，与催化剂配伍优良，既具有一般材 料的功能，又具有分子筛的活性特征，同时能大大简化催化剂产品的 制备工艺，且耐高温。因而可作为吸附剂、分子筛及分子筛载体广泛 第1 章绪论 应用于废气、废水治理。将累托石层孔材料用在环保方面的研究主要 集中废水的处理，而对废气处理的研究较少。孙家寿等【1 3 , 2 2 - - 2 4 拘研究 表明：改性后累托石对磷的吸附率接近1 0 0 ，对铬、铅、镍等重金 属离子的吸附率达9 0 ，用于处理有机物废水其c o d 的去除率及废 水脱色率均可达到9 0 以上，而且不易产生二次污染，具有广泛的开 发前景。中国石油化工科学院成功开发出新型分子筛材料，并证实其 具有超越传统产品的特殊应用价值。此外，累托石还可以用于开发耐 高温、阻然、防水、杀菌、除臭、脱色、轻型、保温等环保材料。目 前，累托石在环保材料方面的研究已越来越引起人们的重视，在开发 时，要加强对高温废气、废水的研究。 ( 3 ) 累托石其它材料的开发 累托石易于分散成纳米微粒的天然矿物，具有一定的纳米性能， 且具有良好的悬浮性、流变性和耐高温性；同时对有机和无机材料有 较好的相容性和适宜性。因而累托石可以用作填充剂、悬浮剂等。用 它添加于塑料、橡胶等材料中，可制成高强度、耐高温的新型材料产 品。在涂料中作为悬浮剂，并能改善涂料的物理化学性能，在涂料中 的应用主要有：建筑内墙涂料、铸钢涂料、金属防护涂料。此外，累 托石还可以用作其它材料中的悬浮剂，应用于相关的颗粒载体，如： 农药颗粒剂、药物片剂载体等嘲。累托石还可以开发为肥料缓施剂、 陶瓷、化妆品、抗菌材料及医药保健材料等。 累托石是一种较为罕见的矿物，它既具有膨润土的性质，又具有 自身的特殊性质。目前，国内外正在兴起开发非金属矿物的热潮。膨 润土已广泛的用于建材、轻工、日用化工、环保、冶金工业、农业等 产品【2 6 1 。而累托石的开发亦受到广泛关注。我们在开发和研究累托石 时，要加大改性累托石在高新技术领域的应用研究，使累托石的稀与 奇得以充分的体现。 1 3成型技术及其在水处理中的应用 “成型”是- f - j 古老而又近代的技术，如瓦片、砖块、药片等用 细粉成型的技术已经沿用了几个世纪，在近代又相继产生了一些新的 成型方法用于制药工业、粉末冶金和陶瓷等【3 3 1 。随着生产和科学技术 武汉工程大学硕士学位论文 的发展，“成型”工艺已渗入许多重要行业，如：建筑材料、耐火材 料、医药、橡胶、塑料加工、电瓷、催化剂等工业畔一5 1 。与此同时， 环保行业中，成型技术有助于解决粉末状吸附剂和催化剂在固液分离 和回收再利用上的问题。下面就成型中常见的造粒技术和固定化技术 进行介绍。 1 3 1造粒技术及其在水处理中的应用 ， 一 造粒，即颗粒团聚的方法，是将细小的粉体颗粒加工成适当大小 ， 的较大实体的工艺方法1 3 3 1 。造粒能使颗粒的整体性能得到改善。其目 一 的通常分为两类：一类是生产颗粒( 或者形状) 产品，例如很多活性吸 附材料、催化剂载体、过滤材料、饲料等；另一类是用于生产目的产 品的中问材料。除此之外，从环保角度减少尘埃污染及泥浆聚凝团聚 等，也可称为广义的造粒工艺。i v e s o n 和l i t s t e r l 3 6 】指出造粒原理就是 当细小颗粒通过喷洒液体粘结剂在转鼓、流化床、高速或低速切刮混 合器等设备中混合时，逐渐成长为更大的半永久颗粒的过程。 造粒产品一般都保持原始细粉粒子的基本性能，用造粒方法来改 善颗粒的整堆性能。目前