벤토나이트의 세 가지 일반적인 개질 방법

천연 벤토나이트는 친수성이 매우 강하여 폐수 속의 물 분자와 쉽게 결합하기 때문에 흡착 후 고액 분리가 어렵고 적용 범위가 제한적입니다. 개질 벤토나이트는 천연 벤토나이트보다 흡착 성능이 훨씬 뛰어날 뿐만 아니라 적용 범위도 넓혀줍니다. 현재 벤토나이트 개질 방법에는 활성화 개질, 나트륨 개질, 첨가제 개질 등 다양한 방법이 있습니다.

I. 활성화 개질

활성화 개질은 특정 방법을 사용하여 천연 벤토나이트를 활성화시켜 흡착 성능을 향상시키는 방법입니다. 일반적으로 사용되는 활성화 방법에는 산성화 활성화, 소성 활성화, 무기염 활성화 등이 있습니다.

(1) 산성화 활성화

산성화 활성화는 천연 벤토나이트를 다양한 농도의 산으로 처리하는 방법으로, 벤토나이트 층 사이의 Na+, Mg2+, K+, Ca2+ 등의 양이온이 가용성 염으로 전환되어 용해됨으로써 몬트모릴로나이트 결정층 사이의 결합 에너지가 약화되고 층간 간격이 증가하여 미세 기공 망상 구조와 더 넓은 비표면적을 갖는 다공성 활성 물질이 형성됩니다. 일반적으로 사용되는 산으로는 황산과 염산이 있습니다.

(2) 소성 활성화 방법

소성 활성화 방법은 벤토나이트를 다양한 온도에서 소성하여 활성화 및 개질하는 방법입니다. 가열 시 벤토나이트는 층간수, 결합수 및 기공 내 불순물을 잃어 비표면적과 다공성이 증가하고, 수막 및 불순물로 인한 흡착 저항이 감소하여 흡착 성능이 향상됩니다. 400~450℃의 소성 온도에서 최적의 개질 효과를 얻을 수 있습니다. 고온 소성 활성화 개질은 소성 온도와 시간을 엄격하게 제어해야 합니다. 소성 온도가 지나치게 높거나 소성 시간이 지나치게 길면 벤토나이트 활성이 저하될 수 있습니다.

(3) 염 활성화법

염 활성화법은 일반적으로 Na, Mg, Al, Fe 등의 할로겐화물과 질산염을 개질제로 사용하여 벤토나이트를 처리합니다. 이러한 금속 양이온은 벤토나이트의 규소-산소 사면체의 음전하를 중화시킵니다. 이들 양이온은 원자가가 낮고 반지름이 크기 때문에 벤토나이트 구조 단위층과의 상호작용이 약하여 벤토나이트의 이온 교환 성능이 우수합니다.

II. 나트륨 개질법

나트륨 개질법은 주로 칼슘계 벤토나이트를 개질하는 데 사용됩니다. 일반적으로 사용되는 개질 방법으로는 현탁법, 건식 혼합법, 습식 적층법, 습식 압출법 등이 있습니다. 일반적으로 사용되는 나트륨 개질제로는 Na₂CO₃와 NaCl이 있습니다. 개질 원리는 이온 교환을 통해 이루어지는데, 층간에서 Na⁺가 Ca²⁺를 치환하여 양전하를 감소시키는 것입니다. 이렇게 결정 표면과 층간에 흡착된 Na⁺는 음전하를 상쇄합니다.

칼슘계 벤토나이트와 나트륨 개질 칼슘계 벤토나이트를 이용한 Cd²⁺ 흡착 실험 결과, 칼슘계 벤토나이트와 나트륨 개질 칼슘계 벤토나이트의 포화 흡착 용량은 각각 2.96 mg/g과 8.45 mg/g으로 나타났습니다. 나트륨 개질 칼슘계 벤토나이트의 Cd²⁺ 흡착 용량은 칼슘계 벤토나이트보다 현저히 높았습니다.

III. 첨가제 개질법을 이용한 개질

첨가제 개질법으로 얻은 개질 벤토나이트는 유기 벤토나이트, 가교 벤토나이트, 유기 가교 벤토나이트의 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 유기 가교 벤토나이트는 탄소 사슬 길이가 12개 이상인 양이온성 계면활성제(예: CTAB 및 CTAC와 같은 4차 암모늄염)를 가교 벤토나이트의 층간 공간에 도입하여 개질하는 방법으로, 이를 통해 기공 크기가 더 큰 유기 가교 벤토나이트를 얻고 흡착 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

벤토나이트에 개질제를 첨가하면 비표면적이 변하고 층간 간격이 증가하여 흡착 성능이 향상됩니다. 이는 현재 벤토나이트 개질에 사용되는 주요 방법 중 하나입니다.