[发明专利]一种膨润土的原位柱撑改性方法和除藻净水剂

说明书

技术领域

本发明属于天然或人工水体水环境保护和矿物加工与利用领域，具体涉及一种膨润土的原位柱撑改性 方法以及用这种改性方法制备的矿物型除藻净水剂。

背景技术

近年来，我国作为饮用水源的江河湖库水体富营养化程度日益严重，蓝藻水华暴发的面积、频度和强 度及藻毒素的产生都呈现迅猛的增加趋势，直接后果是导致水中溶解氧浓度迅速降低、水生动植物大量死 亡以及周边景观和生态环境的破坏，饮用水制水成本升高，同时也给周边城市的投资业、水产业、旅游业、 供水安全和人类的生存与健康带来严重威胁。

为了清除或抑制藻华，众多的国内外学者花费了40余年时间，先后提出几十种控制或治理藻华的方法， 如化学法、机械法、生物生态法和混凝法等。尽管各有所长，但都不同程度地存在着一定缺陷：如机械除 藻成本较高，可操作性不强，工程量较大，影响水域的航运和泄洪等使用功能；生物除藻见效慢，需要引 入外来生物，消耗水中的溶解氧，产生生物粘泥，易使水质变坏发臭；化学除藻所投加的成分在水中残留 或与水中其他物质化合形成对人体有害的三致衍生物等。另外，这些方法应用到水量极大的湖库水体，需 要耗费大量的人力、物力和财力。针对目前治理藻华赤潮技术所存在的局限性和量多面广的蓝藻治理必须 符合既要除去藻类，又要对鱼类无害，不危害水环境以及价廉等要求，近年来，使用储量丰富、价格低廉、 天然无毒、处理工序相对简单的天然粘土矿物是治理天然水体蓝藻滋生的最有发展前途的方法，这一粘土 矿物除藻技术已引起国内外研究者的高度重视。目前在韩国的海湾和湖泊仅有的除藻补救措施就是向水中 投加粘土，国内的中国科学院生态研究中心、青岛科技大学和中国科学院海洋研究所等也进行了有益的尝 试，结果证明，大量撒播粘土的成本较高，而利用粘土矿物改性或复合聚合氯化铝后的除藻净水效率会大 大提高。

其中粘土矿物中的膨润土应用的最多，因为膨润土的层间域是一个特殊的化学反应场所，它除了具有 一般粘土矿物层间域的层间交换、层间吸附、孔道过滤和层间聚合等性质之外，还具有层间柱撑的特性。 而且膨润土层间域中的铝几乎都是交换性铝，使得其层间的铝比非层状矿物中的铝更容易水解聚合形成带 正电的羟基聚合铝柱撑，能显著提高膨润土混凝净化水体和工业废水的能力。

国际上膨润土除藻技术的研究和应用大都局限于治理海洋赤潮，极少见在淡水中使用的研究和实践。 针对与人们日常生活息息相关的淡水资源，目前膨润土在实际应用时还存在着诸如容易溶涨、渗透性差、 用量大、沉降后残留浊度大等缺点，限制了其实际应用。为了提高膨润土的除藻净水效率，人们对其进行 了各种有机和无机改性，有机改性因为毒性而不适应于天然淡水除藻。

常见的膨润土矿物无机改性方法有焙烧或酸化活化法、离子交换改性以及交联柱撑改性等，研究最多 的是Al₁₃柱撑。但迄今为止，Al₁₃柱撑体本身的设计和插入方式尚未改观，改性方法不够高效，30年来一 直沿用传统的外源Al₁₃柱撑改性方法：先制得Al₁₃柱撑体，再插入蒙脱石层间域，即以离子交换的方式在 其层间插入目前发现的电荷数最高的羟基Keggin-Al₁₃⁷⁺聚阳离子。尽管膨润土有一定的膨胀性，但由于膨 润土从矿物表面到层间域的介质水溶液之间存在着很大的酸度梯度，此时将平均粒径为2～3nm较大的介 稳柱撑剂Al₁₃⁷⁺从外部插入层间距为0.96-2.14nm的膨润土中有一定的难度。由于Al₁₃柱撑体的直径较半径 为0.054nm的单核Al³⁺大的多，而且不稳定，使得膨润土现有的这一外源柱撑方法耗时、合成产率较低。

Al₁₃⁷⁺是聚合氯化铝(PAC)混凝剂的最有效成分。它的使用对人类和鱼的毒性较低，在水污染修复与治 理和除藻方面具有良好性能。但单独使用PAC除藻时所形成的藻华絮体疏松，沉降性能较差，不能达到 有效分离水和藻的目的。

中国的膨润土资源十分丰富，以钙基膨润土为主，矿产几乎遍布全国各地，其储量占世界首位。本发 明基于前期研究，选择膨润土作基质，利用蒙脱石的层间域性质，打破传统的柱撑改性观念，自主提出羟 基聚合Al₁₃的原位水解聚合内源插层成柱方法，并用这种改性方法发明了一种新型矿物型除藻净水剂。