沸石在水处理中的应用

Posted 2023-01-12 生物

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介绍了沸石的化学组成、结构和特性，并着重论述了近几年沸石在微污染水源水、生活污水、工业废水处理等方面应用研究所取得的成果和进展。
[中图分类号]X703[文献标识码]A[文章编号]1003-2673(2011)01-76-01
天然沸石是1756年瑞典矿物学家A.F.Cronsted首先发现的，它具有热稳定性、耐酸性、耐辐射性，以及成本低、储量大的特点。我国沸石矿产资源丰富，沸石的种类很多，如方沸石Na[Si2AlO5.]H2O、菱沸石(Ca、Na)[Si2AlO3.]6H2O、交沸石(K2Ba)[Al2Si5O12.]H2O等，大约有40种。在水处理中应用最多的是斜发沸石，这种沸石甚至在颗粒很小时在电解质溶液中机械性能也很稳定。
本文对沸石的吸附性能和离子交换性能及其在水处理中的应用研究作一详细介绍。
1.沸石的化学组成、结构
沸石是一族含水铝硅酸盐矿物，沸石硅氧四面体通过桥氧连接，可形成多环结构，并在三维空间上形成形状规则的环状空穴，能够吸附和截留不同大小的分子，因此又叫分子筛。沸石的主要成分是：Na2O、CaO、MgO、Al2O3、Fe2O3、4SiO2、24H2O……在水处理领域广泛应用的主要是斜发沸石、丝光沸石、菱沸石等。
2.沸石的物理化学特性
2.1选择吸附性和高效吸附性
沸石的孔径分布均匀，且大多在10Nm以下，与一般物质的分子大小相当，因而具有分子筛的选择吸附性。在沸石的构架中，阴离子晶格上的负电荷与平衡阳离子的正电荷中心在空间上是不重叠的，因此沸石内部具有较大的静电吸引力。正是由于这种静电力的关系，使得沸石对极性、不饱和及易极化分子具有优先的选择吸附作用。分子筛对分子的极性大小具有选择作用，极性越大越容易被极化的物质，就越容易被吸附。沸石具有高效吸附性，特别是对水、氨、硫化氢、二氧化碳等分子具有很强的亲合力。
2.2离子交换能力
由于沸石结晶骨架中的阳离子与骨架的维系力较弱，因此沸石具有很好的离子交换能力。沸石对于各阳离子典型的选择交换顺序如下：Cs+>Rb+>K+>NH4+>Sr2+>Na+>Ca2+>Fe3+>Al3+>Mg2+>Li+。沸石的离子交换一般是在水溶液中进行的。常见的天然沸石，斜发沸石和丝光沸石等都具有很高的阳离子交换容量。斜发沸石的理论交换容量为0.213 mol/100 g，丝光沸石的理论交换容量为0.223 mol/100 g。通过离子交换，改进了沸石的吸附和催化性能，从而得到了更广泛的应用。
3.沸石在微污染水处理中的应用
沸石具有良好的离子选择交换性能，特别是对氨离子，而氨氮是给水处理中重点去除的对象之一。沸石还是一种极性吸附剂，可以吸附极性有机物，同时沸石对细菌还有富集作用，是一种理想的生物载体。
利用生物沸石反应器处理微污染原水，经长期运行测试，生物沸石反应器对氨氮、NO2-N、Mn、有机物、色度、浊度平均去除率分别为93%、90%、95%、32%、77%、72%。通过对比实验表明，沸石具有和生物活性炭、生物陶粒一样的性能，并在去除氨氮方面表现出更优越的性能，为微污染水源水的净化提供了一种新材料和途径。
3.1硬水的软化
利用天然沸石可以作硬水软化的预处理。如某厂家利用独石口天然沸石进行软化水的试验，取得良好效果。若天然沸石改型后，其沸石的交换能力达280～340 mol/m3。作为离子交换剂可用于硬水的软化处理。改型后的沸石对钙镁离子的交换能力有明显提高，使水质达到或超过一般工业生产和取暖锅炉用水标准。
3.2降低氟含量
氟是人体必需的微量元素之一，饮用水适宜的氟质量浓度为0.5～1.0 mg/L。饮用水中氟的含量过高容易使儿童患氟斑病和氟骨症。我国高氟地区水的氟含量严重超标，高氟水严重危害了人们的身体健康。刘文质等人应用20～40目斜发沸石制作了除氟吸附过滤器，在氟病区进行试验，处理后不仅含氟量降低了，而且浊度、铁、汞、总硬度都得到了一定程度的改善，如表1。
表1原水的各项含量与经除氟吸附过滤器处理后的各项含量

经处理后，含氟量符合国家规定的饮用水标准(F≤1 mg/L)。同时，估算处理费用为每立方米≤0.5元。
4.在生活污水和工业废水处理中的应用
4.1消除废水中的氨氮和磷
含氨氮废水的处理技术主要有生物合成硝化法、离子交换法、空气蒸汽汽提法、氯化及吸附、化学沉淀法等。天然沸石具有较大的孔隙率和比表面积，对NH3-N有较强的选择性离子交换能力。利用天然沸石去除城市废水或工业废水中的氨氮，在国内外获得了较为广泛的研究，其反应原理为：Z-M++NH4+=Z-NH4++M+式中Z-为沸石，M+为沸石中的金属离子。其交换容量取决于沸石矿中沸石含量，反应温度及溶液的pH值。一般交换容量随温度的升高而增大，随交换溶液的pH值的增加而加大。但因碱性溶液对沸石吸附不利，因此，以pH<7.5为宜。李德生等研制的生物沸石反应器能高效的除去水中的NH3-N，NO2-N等。生物沸石反应器是以通过特定处理的颗粒沸石作为生物载体的一种固定生物膜处理装置。处理效果好。
4.2除去和回收水中的重金属离子
通常将比重在5以上的金属称为重金属。冶炼厂、有色金属矿山等化学工业部门所排放的含重金属阳离子的废水造成环境污染，对人体产生极大危害。试验表明，丝光沸石和斜发沸石对于消除重金属离子的效果较佳。特别是用碱处理过的沸石，其吸附量可以得到大大提高。用0.05 mol/LHCI可浓缩回收吸附的重金属离子，用NaOH溶液可使沸石再生。当pH值大于4时，经沸石处理的污水即可消除污染。
5.在水处理中的应用前景展望
我国沸石资源丰富，分布广，产量大，总贮存量占世界第一位。沸石价格很低，仅为活性炭市价的1/5左右。但其中大约有70%～80%以上用于水泥生产，在环保、轻工、化工等高附加值领域的用量不多。由于沸石分布广泛，价格低廉，性质优良，所以沸石在水处理领域的应用有着其他矿物质无法比拟的优点和很好的应用前景。同时，沸石作为一种新型的水处理剂，目前在技术上还不够成熟，要真正广泛应用还需要做大量的研究工作。我们还应在寻找经济有效的活化再生方法，探寻多种处理技术相结合等方面进行更深入的研究。