沸石在水处理中的应用

沸石在水处理中的应用随着我国国民经济的迅速增长和城市人口的膨胀，生活污水和工业废水大量排放，水污染现象变得越来越严重。如何在水处理中有效地利用新型环境友好材料已是当今环境领域的重要研究课题。天然沸石是一种含水框架结构的多孔硅铝酸盐矿物质，独特的晶体结构使其具有选择性离子交换性能、选择性吸附性能、耐酸性能以及催化性能等特性，同时具有较大的比表面积，在污水的有机物去除，去除氨氮，重金属离子去除，去除氟和磷以及微污染水源水的预处理过程中有着较好的应用前景，特别是把沸石作为滤料，能够把天然沸石的吸附性、离子交换性能与滤池的过滤、吸附和生物代谢功能有机结合起来，更好地去除污水中的NH3N，有机物、SS和色度等。把沸石应用到水处理中，在使用和处理过程中不会对环境造成二次污染，是一种环境友好材料。以沸石作为水处理滤料，有望研究开发出经济、高效的新型水处理技术与工艺，对解决我国日益严峻的水环境污染及水资源短缺问题，具有重要的现实意义。1、沸石在水处理中的研究进展1.1去除氨氮从天然沸石的微观结构可以看出，沸石内部具有很多大小均匀的空穴和通道，它们彼此相连，并与外界相通，在一定的物理化学条件下，具有固定的直径，小于这个直径的物质能被其吸附，同时氨氮为极性分子，其分子小于沸石孔道的直径，因此沸石对氨有很强的吸附能力。沸石对氨氮的去除，还与沸石具有较强的离子交换性能有关，这主要是由于水中的NH4+离子极易同沸石晶格中结合不紧的K、Na、Ca等碱金属或碱土金属离子发生交换反应，能够有效地去除水中的NH4+离子。沸石对氨氮具有较大的吸附容量，在平衡浓度相当高的情况下，每克沸石具有吸附15.5g氨氮的极限吸附潜力，其吸附容量约是粘土的23倍。天然沸石不但能很好地去除水中氨离子，而且沸石具有很好的重复使用和再生性能，经过18次重复使用和再生，其氨交换容量仅降低了4%。目前的研究表明沸石对水中氨氮的去除与沸石的粒径大小、水流流速、温度、初始氨浓度和pH等因素密切相关，而水中有机物对氨氮去除的影响也很大。目前活化沸石用于水处理中氨氮的去除比较活跃，天然沸石经过高温焙烧，酸、盐等处理，既可以增大孔容，又增加比表面积，能够有效提高氨氮的交换容量，并且活化沸石成本远比活性炭等其他去除材料低，且再生简单，除氨氮性能优异。1.2有机物及SS去除沸石对水中有机物的去除主要是依靠沸石的吸附性能，极性有机物较非极性有机物更容易被沸石吸附，且随分子直径的增大，被吸附的几率也越小。沸石能与含有极性基团如OH、〉C=O、NH2或含有可极化基团如〉C=〈、C6H5等的有机物分子发生强烈的吸附，因此沸石能够吸附水中相当低的对人体具有致癌作用的CHCl3、TCE（三氯乙烯）、MTBE（甲基叔丁基醚）等有机物。如在pH为57的条件下，经氯化钠改性后的钠型沸石对水中的苯酚有较强的吸附能力。人们通过改变沸石的硅铝比，生产出高硅沸石，用来吸附水中的MTBE、CHCl3、TCE。高硅沸石对水中MTBE、CHCl3、TCE的吸附容量是所研究的粒状活性炭的8-12倍。而且，沸石具有去除水中浊度的作用，其对浊度的去除率在65%左右。这些研究表明天然沸石特别是经过改性的活化沸石在有机废水的处理中具有很大的应用潜力。1.3去除重金属离子沸石本身的格架结构特征和配位键不平衡，决定了沸石能够作为阳离子交换剂使用，能够与水中的Ba2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+、Cu2+等重金属发生离子交换反应而得以去除。同时沸石具有综合治理污染水源的功能，能同时去除水中的Ni2+、Co2+、Cu2+、Pb2+、Hg2+等重金属离子、油类和其他有机物。试验表明，在酸性pH值范围内天然斜发沸石对水中的Pb2+、Cd2+具有非常好的吸附去除作用，并发现当pH7后，天然斜发沸石对水中Cd的吸附能力急剧下降，但当pH10后，天然斜发沸石对水中Pb的吸附能力才有所下降。当溶液中Pb与Cd共存时，天然斜发沸石对Pb2+的吸附亲合力大于对Cd2+的吸附亲合力。另有试验表明，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。1.4降氟和降磷由沸石的工艺特性来看，天然沸石不具有去除水中F-的能力，但通过特定的处理可使其具有较强的降氟能力。目前用于沸石活化降氟的方法主要有：①天然沸石→明矾水处理→灼烧，能够使F-的去除率达到89.8%。②天然沸石→HCl处理→TiCl4→灼烧→明矾水处理，F-的去除率达到92.2%。③天然沸石→MgCl2→120℃烘干，改性为镁性沸石，室内实验表明，镁型活化沸石具有较强的除氟能力，其除氟容量可达每克沸石8mgF-以上。以上活化降氟方法都是通过离子力向沸石构架中充入阳离子，以补偿沸石晶格中电荷的不平衡性。改性后的沸石对氟的吸附主要是化学吸附，在吸附过程中同时伴有物理吸附。含磷废水的排放会引起水体富营养化，导致水体中藻类和浮游生物急剧增殖，水体溶解氧下降，水质恶化，并引起鱼类及其他水中生物大量死亡。目前除磷方法很多，但均存在一定弊端，沸石作为一种新型除磷材料正越来越受到人们的关注。天然沸石对磷的吸附量比较小，但经过改性的沸石对磷的吸附量比较大，达到15mg/g，能够很好地去除水中的磷化物。1.5去除水中含氧酸阴离子天然沸石经过阳离子表面活化剂改性后，能在保持原来吸附性能和离子交换性能的基础上，大大提高其对水中含氧酸阴离子和非极性有机化合物的去除能力。经过HDTMA改性沸石对水中CrO2-4的吸附量最大，其次为SO2-4，最后为SeO2-4。天然沸石经阳离子表面活性剂（CTMAB）改性后处理含铬酸根离子的废水，在15℃时，对铬酸根离子的饱和吸附量为1.597g/kg，吸附性能有了很大提高。1.6用作滤料沸石由于具有很多独特的物理化学特性，用沸石作为滤料，特别是生物滤料，能够把天然沸石的吸附性、离子交换性能与滤池的过滤、吸附和生物代谢功能有机结合起来，更好地去除污水中的NH3-N、有机物、SS和色度等。因此把沸石作为滤料的研究已成为一个新的研究课题。不过，天然沸石作为滤料，破碎磨损较大，使用前需经过一定的预处理以提高强度。同时沸石的种类比较多，国内比较常见的有承德国投盛世斜发沸石和丝光沸石。它们的结构、物理化学性质都有很大的差别，也就决定了它们作为滤料处理污水的效果有很大的差别。为了获得最好的处理效果有必要对沸石进行筛选，以选择出最适合作为滤料的沸石。有实验表明，对天然沸石进行灼烧活化，发现当沸石在500-550℃灼烧时既可以提高机械强度（磨损率从未灼烧时的3%左右降低到1.5%左右，破碎率从2.5%降低到1%），又可以增大孔容，增加比表面积，还可以增加阳离子的运动活性，使离子交换进行得更充分。同砂粒相比，天然沸石对纺织废水的处理效果优于砂粒的处理效果；同时在水力负荷为1.83m/h时SS、BOD、COD、TN的去除率分别达到74%、99%、92%、92%，并且对色度的去除率高达78%。混合生物滤料中的天然沸石具有缓冲进水NH3N冲击负荷的能力，最高负荷达到1.2kg/（m3·d）时，仍能使出水的NH3N浓度为零，同时COD浓度不影响天然沸石的离子交换。目前以沸石为滤料的研究，大部分都是天然沸石，天然沸石的破碎磨损较大。因此对天然沸石进行表面改性，提高机械强度，增大吸附和离子交换能力，能够更好地提高沸石对污水中各种污染物的去除效果。2、沸石在水处理应用中存在一些问题（1）我国各地的沸石矿石中沸石含量差别很大，同时沸石种类较多，各种沸石的结构以及构成不同，造成其在水及废水中的处理效果不同，实际应用中应区别采用。（2）沸石的种类不同，处理的水和废水中污染物成分不同，相应沸石的再生也应根据具体情况采用不同的方法。（3）天然沸石不能去除氟离子，必须经过活化，然而现在的活化方法都是比较单一的，处理效果不是很好，如果采用复合的办法或许有更好的效果。（4）在对沸石进行改性处理时，应考虑对沸石进行疏水处理，减低沸石对H2O的吸附，以提高沸石对NH4+、F-、Pb2+等的吸附能力。而这一处理步骤是目前沸石用于水处理时对沸石改性所缺乏的。3、结论沸石由于具有吸附性、离子交换性、催化性、耐酸性和热稳定性，同时具有较大的比表面积，能够有效地去除有机物、氨氮、重金属离子、氟和磷，并且在使用和处理过程中不会对环境造成二次污染，是一种环境友好材料，因此在水处理中具有较好的应用前景，特别是把沸石作为生物滤料，能够把天然沸石的吸附性、离子交换性能与滤池的过滤、吸附和生物代谢功能有机结合起来，更好地去除污水中的NH3N、有机物、SS和色度等。我国沸石储量丰富，分布广泛，且沸石价格很低，每吨生料仅数百元，为活性炭市价的20%。因此把沸石应用到水处理中，具有很大的潜力。