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研究生:蘇佳琪
研究生(外文):Chia-Chi Su
論文名稱:氧化鋁及氧化鐵插層蒙脫石吸附水中天然有機物之研究
論文名稱(外文):Adsorption of natural organic matter by Al2O3 and Fe2O3 pillared montmorillonite
指導教授:申永輝申永輝引用關係
指導教授(外文):Yun-Hwei Shen
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:資源工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:112
中文關鍵詞:氧化鋁氧化鐵插層蒙脫石天然有機物
外文關鍵詞:montmorillonitenatural organic matterpillaredAl2O3Fe2O3
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摘要

飲用水原水中之天然有機物(natural organic matter, NOM)是一複雜的污染物,在自來水淨水廠加氯消毒程序中,天然有機前驅物質(如腐植質)會和氯作用形成具有致癌性的三鹵甲烷(trihalomethane,THM),故在加氯消毒程序前預先去除水中天然有機物為必要之處理程序。
本研究旨在探討以氧化鋁及氧化鐵插層(intercalated)進入蒙脫石層間合成柱撐蒙脫石(pillared montmorillonite),進而應用於淨水處理中作為水中天然有機物吸附劑之可行性。
研究結果顯示,未經提純之蒙脫石其陽離子交換容量(CEC)約為48.6 meq/100g,而將蒙脫石置於水中充分膨潤,再以1000 rpm 轉速(110g) 離心1分鐘,上層液中懸浮之蒙脫石CEC值可提高至約73.8 meq/100g。在合成鋁及鐵插層蒙脫石方面,使用[OH-]/[Al3+]莫耳比為2.5,並以每克蒙脫石配合3 mmol鋁離子進行插層後且經300℃煆燒,可有效增加蒙脫石層間距(d001)與BET比表面積。另一方面,使用[OH-]/[Fe3+]莫耳比為2,以每克蒙脫石配合3 mmol鐵離子進行插層後經300℃煆燒,雖無法產生如鋁插層蒙脫石層間存在之穩定氧化鋁支撐,有效的增加蒙脫石之層間距及BET比表面積,但是仍能在鐵插層蒙脫石層間表面形成非晶質氧化鐵或氫氧化鐵局部覆膜。鋁及鐵插層蒙脫石之Stokes粒徑皆大於未插層之蒙脫石,使得插層之蒙脫石在水中沉降速度變快。又鋁及鐵插層蒙脫石沉降後污泥體積明顯小於未插層之蒙脫石,其固液分離效果較佳。更進一步,鋁及鐵插層蒙脫石由於表面鋁及鐵元素含量增加,而表面鋁及鐵離子可對水中天然有機物分子產生有效的錯合,進而造成其對水中天然有機物的吸附能力明顯提升。
綜合而言,將氧化鋁及氧化鐵插層蒙脫石應用於淨水處理中作為水中天然有機物之吸附劑將是一可行的方法。
Abstract

A large portion of the natural organic matter(NOM) in potable water sources are complex contaminants. During the chlorination procedure in water treatment plane, humus will react with chlorine to form carcinogenic trihalomethane(THM) substances, so it is necessary to remove the NOM in water before chlorination.
The purpose of this study is to synthesis pillared montmorillonite by intercalating Al2O3 and Fe2O3 into the layer space of montmorillonite. Then, the effects of using the pillared montmorillonite as an adsorbent for the removal of NOM from water are evaluated.
The cation exchange capacity(CEC) of unpurified montmorillonite is about 48.6meq/100g. The montmorillonite were purified by centrifuging at 1000rpm(110g) for 1min. The CEC of purified montmorillonite is about 73.8meq/100g. To synthesis Al2O3 and Fe2O3 pillared montmorillonite, the purified montmorillonite suspension was vigorously mixed with hydrolized Al3+ solution at room temperature ( 1g of clay reacted with 3mmol Al3+ in which [OH-]/[Al3+]=2.5). The final product after 300℃ heat treatment has a basal spacing of 17.7Å and a specific surface area of about 168.93m2/g .In addition, the montmorillonite suspension was vigorously mixed with hydrolized Fe3+ solution at room temperature ( 1g of clay reacted with 3mmol Fe3+ in which [OH-]/[Fe3+]=2). After calcining at 300℃, the basal spacing and specific surface area of the final product does not increas. The present of Fe2O3 coating film at the interlayer surface of pillared montmorillonite is predicted.
The Stokes particle size of Al2O3 and Fe2O3 pillared montmorillonite is greater than that of unpillared montmorillonite. Thus increase the sedimentation rate of pillared montmorillonite in water. After sedimentation of the pillared montmorillonite, the volume of sludge is smaller than that of unpillared montmorillonite, thus the pillared montmorillonite shows good solid-liquid separation effect. Finally, the sorption capacity of NOM in water progressively increase with the increasing amount of Al2O3 and Fe2O3 intercalated in pillared montmorillonite.
In summary, intercalating of Al2O3 and Fe2O3 into the layers of montmorillonite will form pillared montmorillonite. Experiment results in this study showed that using pillared montmorillonite as an adsorbent for removing NOM from water water is practicable.
摘要 ……………………………………………………………I
致謝 ……………………………………………………………V
表目錄 …………………………………………………………X
圖目錄 ………………………………………………………… XI

第一章 緒論 …………………………………………………1
1.1 研究緣起 …………………………………………………………1
1.2 研究目的 …………………………………………………………4

第二章 理論背景與文獻回顧 …………………………………5
2.1 層狀矽酸鹽礦物之結構 …………………………………………5
2.2 蒙脫石的性質 ……………………………………………………9
2.3 蒙脫石的提純 …………………………………………………10
2.4 插層蒙脫石及應用 ……………………………………………11
2.5 水中天然有機物 ………………………………………………15
2.6 黏土與腐植酸相互作用之機制 ………………………………20
2.7 吸附理論 ………………………………………………………22

第三章 實驗方法與步驟 ……………………………………25
3.1 實驗材料及設備 ………………………………………………25
3.1.1 實驗材料 …………………………………………………25
3.1.2 實驗設備 …………………………………………………26
3.2 實驗方法及步驟 ………………………………………………28
3.2.1蒙脫石提純 ………………………………………………28
3.2.2蒙脫石插層 ………………………………………………28
3.2.2.1鋁聚合陽離子製備 ………………………………………28
3.2.2.2鋁插層蒙脫石製備 ……………………………………28
3.2.2.3鐵聚合陽離子製備 ……………………………………29
3.2.2.4鐵插層蒙脫石製備 ……………………………………29
3.2.3 插層後蒙脫石作為吸附劑應用之研究 ……………………29
3.2.3.1安德利森瓶(Andreasen)粒徑分佈實驗 ………………29
3.2.3.2 沉降實驗 ……………………………………………29
3.2.3.3 鋁及鐵離子溶出實驗 ………………………………30
3.2.3.4 鋁及鐵插層蒙脫石吸附DOM實驗 …………………30
3.2.3.4.1 DOM特性分析 ……………………………………30
3.2.3.4.1.1 DOM分子電荷密度分析………………………30
3.2.3.4.1.2 DOM分子尺寸分佈分析………………………30
3.2.3.4.2 DOM之恆溫吸附 ………………………………31
3.3分析方法 ………………………………………………………31
3.3.1 X光繞射分析(XRD) ……………………………………31
3.3.2 BET法比表面積測定 ……………………………………32
3.3.3 感應耦合電漿質譜分析儀 (ICP) …………………………32
3.3.4 總有機碳分析儀 (TOC) …………………………………32
3.3.5 紫外線分光光度計 (UV) …………………………………32
3.3.6 顯微結構分析 (SEM) ……………………………………32
第四章 結果與討論 ……………………………………36
4.1蒙脫石提純實驗 ………………………………………………36
4.2 氧化鋁及氧化鐵插層蒙脫石製備實驗 ………………………37
4.2.1 氧化鋁插層蒙脫石 ………………………………………37
4.2.2 氧化鐵插層蒙脫石 ………………………………………48
4.2.3 鋁及鐵插層蒙脫石SEM / EDS分析 ……………………52
4.3鋁及鐵插層蒙脫石之特性 .……………………………………54
4.3.1史脫克(Stokes)粒徑分佈特性 ……………………………54
4.3.2固液分離特性 ………………………………………………56
4.3.3鋁及鐵離子溶出特性 ………………………………………57
4.4鋁及鐵插層蒙脫石吸附DOM實驗 …………………………58
4.4.1 DOM特性 ……………………………………………….58
4.4.2 DOM吸附實驗 …………………………………………66

第五章 結論 …………………………………………………71
第六章 建議 …………………………………………………72
參考文獻 ………………………………………………………73
附錄A陽離子交換容量測定-醋酸銨法 ……………………………78
附錄B安德利森(Andreasen)瓶粒徑分佈測量步驟 ……………………80
附錄C提純前後蒙脫石之陽離子交換容量(CEC)數據 ………………82
附錄D 鋁插層蒙脫石後之層間距及BET比表面積 …………………83
附錄E 鐵插層蒙脫石後之層間距及BET比表面積 …………………93
附錄F史脫克(Stokes)粒徑分佈數據 ……………………………99
附錄G 沉降實驗數據 …………………………………………………100
附錄H 鋁及鐵離子溶出實驗數據 ……………………………………101
附錄I DOM分子尺寸分析實驗數據 ………………………………102
附錄J DOM分子電荷密度分析實驗數據 …………………………110
附錄K 插層前後蒙脫石吸附DOM實驗數據 ………………………111

表目錄

表1.1 蒙脫石國民經濟方面的應用 …………………………………2
表2.1 腐植酸主要官能基 ……………………………………………8
表2.2 腐植質主要發光團 …………………………………………19
表3.1 實驗使用之化學試劑 ……………………………………………25
表4.1 SEM/EDS分析蒙脫石化合物之表面元素 ……………………52

圖目錄

圖2.1 層狀矽酸鹽礦物基本結構單元,四面體片及八面體片 …………7
圖2.2 高嶺土(kaolinite)結構圖 …………………………………………8
圖2.3 蒙脫石(montmorillonite)結構圖 ……………………………8
圖2.4 Keggin離子 [Al13O4 (OH)24(H2O)12]7+ 化合物的結構圖 ………12
圖2.5 [Al13O4 (OH)24(H2O)12]7+ 化合物經煆燒後在層間形成Al2O3柱 …12
圖2.6 以聚合陽離子[Al13O4 (OH)24(H2O)12]7+插層黏土礦物之示意圖 …13
圖2.7 腐植質之劃分 …………………………………………………16
圖2.8 腐植酸的推測構造 ………………………………………………17
圖2.9 Langmuir等溫吸附曲線 ………………………………………24
圖3.1 蒙脫石實驗流程 …………………………………………………33
圖3.2 蒙脫石提純流程 …………………………………………………34
圖3.3 蒙脫石插層流程…………………………………………………35
圖4.1 蒙脫石經1000 rpm轉速不同時間離心提純結果 …………………38
圖4.2 蒙脫石經1000 rpm 轉速離心1 分鐘後之X光繞射圖譜 ………39
圖4.3 以SEM觀察提純後之蒙脫石 ………………………………………40
圖4.4 不同 [OH-]/[Al3+] 莫耳比於合成鋁插層蒙脫石之層間距 ……43
圖4.5 不同[OH-]/[Al3+]莫耳比合成鋁插層蒙脫石之BET比表面積 …44
圖4.6 不同濃度鋁離子合成鋁插層蒙脫石之層間距 ……………………45
圖4.7不同濃度鋁離子合成鋁插層蒙脫石之BET比表面積 ……………46
圖4.8 不同pH值之蒙脫石礦漿於插層後之層間距 …………………47
圖4.9 不同pH值之蒙脫石礦漿於插層後之BET比表面積 …………47
圖4.10 不同[OH-]/[Fe3+]莫耳比合成鐵蒙脫石之層間距 ……………49
圖4.11 不同[OH-]/[Fe3+]莫耳比合成鐵蒙脫石之BET比表面積 ………50
圖4.12 鐵插層劑陳化前後合成鐵插層蒙脫石之層間距 ……………51
圖4.13 鐵插層劑陳化前後合成鐵插層蒙脫石之BET 比表面積………51
圖4.14 插層前後之蒙脫石煆燒300℃後之SEM/EDS光譜 ……………53
圖4.15 插層前後之蒙脫石粒徑分佈 …………………………………55
圖4.16 插層前後之蒙脫石界面位置與時間之關係 …………………59
圖4.17 插層前後之蒙脫石固液分離情形 ……………………………60
圖4.18 插層前後之蒙脫石固液分離示意圖 ……………………………62
圖4.19 鋁及鐵離子與pH值之關係 ……………………………………63
圖4.20 DOM-S及DOM-C之膠凝體分析層析圖 ……………………64
圖4.21 DOM分子電荷密度分析 ………………………………………65
圖4.22 DOM在插層前後蒙脫石之Langmuir等溫吸附曲線 …………68
圖4.23 插層蒙脫石與DOM-C反應後之尺寸分析 ……………………69
圖4.24 插層蒙脫石與DOM-S反應後之尺寸分析 ……………………70
1 .蔡宗燕,“納米級無機層材之發展與應用 ”,工業材料,第125期,pp. 120-128,1997.
2 .任磊夫, 黏土礦物與黏土岩,地質出版社,1992.
3 .簡啟恆,“ 純化蒙脫石做為5-FU藥物載體於大腸癌治療之研究”,國立台灣大學材料科學與工程學碩士論文,2000.
4 .唐旭華,“鉑含浸鋁支撐黏土之製備、鑑定及應用”,私立東海大學應用化學碩士論文,1993.
5 .R. Burch and C. I. Warburton,“Pillared clays as demetallisation catalysts”,Applied Catalysis, Vol.33, pp.395-404, 1987.
6 .W. F. Jaynes and G. F. Vance,“BTEX sorption by organo-clay:cosorptive enhancement and equivalence of interlayer complexes”,Soil Sci. Soc. Am. J. , Vol. 60,pp.1742-1749,1996.
7 .林建明,楊正方,普敏莉,吴季懷,“膨潤土/聚丙烯酸鈉鹽吸水性複合物材料研究”,礦物學報,第21卷,第3期,pp.427-430,2001.
8 .張鎮南,許文龍,“原水中腐植酸成分生成消毒副產物特性之探討”,東海學報,第38卷,pp.175-196,1997.
9 .趙杏媛,張有瑜,黏土礦物與黏土礦物分析,海洋出版社,1990.
10 .戴國邦,“ 土壤礦物”,能源、資源與環境,第6卷,第3期,pp16-21,1993.
11 .Kim H. Tan, Environmental soil science, New York, Marcel Dekker, pp40-42,1994.
12 .Murray B. Mcbride, Environmental chemistry of soils, published by Oxford University Press, pp83, 1994
13 .陳培源,“工業用高嶺土的採礦和選礦”,鑛冶, 第15卷,第1期,pp.85-90.
14 .王澤民,周鳳岐,馬小凡,邱立民,“膨潤土的提純及應用研究”,非金屬礦,第22卷,第3期, pp.19-20, 1999.
15 .牛炳昆,“膨潤土提純研究”,化工礦物與加工,第8期, pp.6-8,1999.
16 .王明光譯,鋁的環境化學,國立編譯館出版,1999.
17 .吴平霄,張惠芬,肖文丁,吴金平,“ 柱撐蒙脫石製備與表徵”,礦物學報,第17卷,第2期, pp.200-207,1997.
18 .O.E.W. Vaughan,“Pillared clay- a historical perspective”,Catalysis Today,Vol.2, pp.187-198,1988.
19 .Shoji Yamanaka, Tadahiro Doi and Shuji Sako,“ High surface area solids obtained by intercalation of iron oxide pillars in montmorillonite”,Mat. Res. Bull. , Vol.19, pp.161-168,1984.
20 .R. M. Barrer and D. M. Macleod,“Activation of montmorillonite by ion exchange and sorption complexes of tetra-alkyl ammonium montmorillonites”,Transactions Of The Faraday Society,Vol.51,pp.1290-
1300,1955
21 .N. Lahav and U. Shani,“Cross-linked smectites. I. synthesis and properties of hydroxyl-aluminum-montmorillonite”, Clays and Clay Minerals , Vol.26, No.2, pp.107-115, 1978.
22 .M. L. Occelli and R. M. Tindwa,“ Physicochemical properties of montmorillonite interlayered with cationic oxyaluminum pillars”,Clays and Clay Minerals,Vol.31, No.1, pp.22-28, 1983.
23 .S. Yamanaka, P. B. Malla and S. Komarneni,“ Water adsorption properties of aluminua pillared clay”,Journal Of Colloid And Interface Science,Vol.134, No.1, pp.51-58,1990.
24 .R. A. Schoonheydt,“Pillaring of saponite in concentrated medium”,Clay Minerals, Vol.27, pp.249-252, 1992.
25 .T. Endo and M. M. Mortland,“Intercalation of silica in smectite”, Clays and Clay Minerals, Vol.28, No.2, pp.105-110, 1980.
26 .Shoji Yamanaka, Gunji Yamashita and Makoto Hattori,“ Reaction of hydroxyl-Bismuth polycations with montmorillonite”,Clays and Clay Minerals, Vol.28, No.4, pp.281-284, 1980.
27 .S. Yamanaka and G. W. Brindley,“Hydroxy-Nickel interlayering in montmorillonite by titration method”,Clays and Clay Minerals, Vol.26, No.1, pp.21-24, 1978.
28 .S. Yamanaka and G. W. Brindley,“ High surface area solids obtained by reaction of montmorillonite with zirconyl chloride”,Clays and Clay Minerals, Vol.27, No.2, pp.119-124, 1979.
29 .田淑貴,王冠鑫,林傳易,陳國璽“ 氧化鉻柱支撐蒙脫石的製備研究”,礦物學報,第18卷,第四期, pp.390-395, 1998.
30 .D. H. Doff, N. H. J. Gangas, J. E. M. Allan and J. M. D. Coey, “Preparation and characterization of iron oxide pillared montmorillonite”,Clay Minerals,Vol.23, pp.367-377, 1988.
31 .F. Bergaya, N. Hassoun, J. Barrault and L. Gatineau“ Pillaring of synthetic hectorite by mixed [Al13-xFex] pillars”,Clay Minerals, Vol.28, pp.109-122, 1993.
32 .J.Barrault, M.Abdellaoui, C. Bouchoule, A. Majeste, J. M. Tatibouet,A.Louloudi, N. Papayannakos and N. H. Gangas,“Catalytic wet peroxide oxidation over mixed (Al-Fe) pillared clays”,Applied Catalysis B:Environmental,Vol.27, pp.225-230, 2000.
33 .吴平霄,張惠芬,郭九皋,王輔亞“ 羥基鐵鋁柱撐蒙脫石Keggin結構的穩定性,”礦物學報,第19卷,第2期,pp.132-138,1999.
34 .張信川,“鋁與鋯支撐黏土之製備,鑑定及應用,”私立東海大學應用化學研究所碩士論文,1990.
35 .田淑貴,王冠鑫,王輔亞“ 氧化鉻-鋁混雜柱支撐蒙脫石的製備和性能”,礦物學報,第20卷,第2期, pp.108-111, 2000.
36 .Richard C. Zielke and Thomas J. Pinnavaia, “Modified clays for the adsorption of environmental toxicants:Binding of chlorophenols to pillared , delaminated, and hydroxyl-interlayered smectites”,Clays and Clay Minerals,Vol.36, No.5, pp.403-408, 1988.
37 .吴平霄,張惠芬,郭九皋,王輔亞,劉小勇“無機-有機柱撐蒙脫石對苯酚的吸附”,地球化學,第28卷,第1期, pp.58-69, 1999.
38 .Keeran R. Srinivasan and H. S. Fogler,“ Use of inorgano-organo-clays in the removal of priority pollutants from industrial wastewaters:structural aspects”,Clays and Clay Minerals, Vol.38, No.3, pp.277-286, 1990.
39 .L. J.Michot and T. J. Pinnavaia,“Adsorption of chlorinated phenols from aqueous solution by surfactant-modified pillared clays”,Clays and Clay Minerals,Vol.39, No.6, pp.634-641, 1991.
40 .葉玲,“ 蒙脫石改性及其吸附脫色性能研究”,礦物學報,第21卷,第2期,pp.179-182,2001.
41 .肖子敬,戴勁草, 葉玲,“膨潤土基多孔材料在染液脫色處理中的應用”,礦物學報,第21卷,第3期, pp.419-422, 2001.
42 .范雨珍,廖立兵, 欒兆坤,“ 改性蒙脫石吸附水中氟離子的實驗研究”,礦物學報,第21卷,第1期, pp.34-37, 2001.
43 .劉桂榮,廖立兵, “柱撐蒙脫石吸附水中硫酸根離子的實驗研究 ”,礦物學報,第21卷,第3期, pp.470-472, 2001.
44 .Hinrich L. Bohn, Brian L. Mcneal, George A. O’connor, Soil chemistry,copyright by John Wiley&Sons, Inc.,1985.
45 .陳立夫,楊秋忠,“ 土壤精華-腐植質”,科學月刊,第24卷,第1期,pp.
53-58,1993.
46 .金相燦,程振華,徐南妮,李海生,環境毒性-有機物污染化學,淑馨出版社,1998.
47 .王明光,環境土壤化學,五南圖書出版,2000
48 .Yun-Hwei Shen,“ Sorption of humic acid to soil:The role of soil mineral composition”,Chemosphere,Vol.38,No.11, pp.2489-2499, 1999.
49 .張有義,郭蘭生,膠體及界面化學入門,高立圖書有限公司,1999.
50 .馮敏,石松,工業水處理技術,海洋出版社,1992.
51 .王一雄, 土壤環境污染與農藥,明文書局出版,1997.
52 .張志純編譯,冷凍乾燥法,徐氏基金會出版,1983.
53 .林正雄,“粒徑分析儀(上)”, 科儀新知,第22卷,第2期,pp.6-20,1998.
54 .E.Molis, F. Thomas, K. Faisandier and I. Bihannic,“ Structural collapse of Al13-intercalated montmorillonite by Na-salicylate solutions”,Clay Minerals, Vol.36,pp.335-344,2001.
55.環境檢測方法彙編,行政院環保署環境檢驗所,1994.
56.選礦學,李文鐘,世界書局,1971.
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