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沸石在水处理中的应用

时间:2021/11/08点击:

摘要:主要介绍了沸石的工艺特性及其在水处理中的应用。沸石的吸附、离子交换等特性使其可用于去除废水中的氨、氮、重金属等污染物。我国及江西省沸石矿产资源相对丰富,价格相对低廉,广泛开发利用沸石处理废水,具有广阔的应用前景。

表面极性强的多孔性含水铝硅酸盐晶体的统称为沸石,它是一种天然廉价的多孔物质,具有比表面积大,表面粗糙,截污能力强等特性。我国已经发现的沸石以斜发沸石、丝光沸石为主,其中大多数分布于我国东部及中部地区,另还在不同省市发现菱沸石、方沸石、片沸石、钙十字沸石、浊沸石、钠沸石等10余种不同种类的沸石。全国共有21个地区发现沸石150多处,其中已经开采的多达50余处,其中江西地区以斜发沸石为主,包括抚州、赣州、吉安等地。

1 沸石概述

沸石中主要含有Na、Ca及少数的K.Mg等金属离子。其晶格中的孔穴里的Na、Ca.K等阳离子的格架结构并不紧密,若溶于水里,易与周围水溶液里的阳离子发生交换作用,且交换后的沸石结构并不被破坏,故沸石不仅可被阳离子交换,而且由于结构不受破坏,还可以再生重复利用。

2 沸石的工艺特性

1)吸附性能

由于大多数沸石中的孔穴、通道占沸石总体积一般都不小于50%,且具有大量的均匀微孔,加上其特殊的分子结构易形成静电引力。当沸石中占大多数体积的孔穴、通道有空缺时,沸石即会表现出较强的吸附能力。沸石的孔穴、通道中还含有一定数量的沸石水,当温度加热到200℃~500℃左右沸石水即可逸出,此时沸石得到活化。活化的沸石,在一定的物理化学条件下,即可选择性吸附其它物质。选择性吸附即是指能小于沸石直径的分子可被吸附,而大于沸石直径的分子被隔离在沸石外部。

2)离子交换性能。

沸石的空间结构是硅\铝氧四面体,其结构中空穴里的K、Na、Ca等阳离子和水分子与格架结合得不紧,氧原子中有的价键未得到中和,使整个沸石带有负电。因此,为保证沸石的电中和性,其可与周围水溶液里的阳离子发生交换作用,且交换后的沸石结构并不被破坏。同样,沸石的离子交换性能也具有选择性。

3)催化性能

沸石具有很大的吸附表面,当某种反应物寄附于沸石表面时,其大孔穴可容纳一定数量的物质,从而促使化学反应在其表面加速进行。且反应生成的新物质还可以从沸石内部释放出来,整个过程并不破坏沸石的结构。因此,沸石可作为某些化学反应的催化剂或催化载体。

4)其它性能及改性

沸石除了具有吸附、离子交换、催化性能外,还具有热稳定性和耐酸性等其它性能。不同种类的沸石的热稳定性和耐酸性等均有所不同。

通常沸石应用可先将其进行改性,其中常用的改性方法包括化学药剂处理、加热处理、酸碱处理等。改性可使沸石的比表面积增加、吸附能力增强、表面活性增加,离子交换能力增强等,从而使沸石得到更多的应用。

3 沸石在水处理中的应用

沸石具有无毒、廉价并可再生等优点,若能应用于水处理中,不但能有效地利用其吸附、离子交换等性能,还能有效降低水处理的成本。沸石及经过改性处理的沸石应用于水处理主要包括以下几个方面。

1)利用沸石去除氨、氮和磷

沸石在水处理中的应用较为广泛,其中应用广泛的是利用其脱氮除氮的能力。而对磷的去除能力是因为其较强的吸附能力。不同种类的天然沸石对氨氮和磷的离子去除能力不同。其中斜发沸石的氨氮去除能力较强。刚接触污水时,沸石的吸附和离子交换能力较强,对氨氮、磷较强的去除率。而随着时间的延长,沸石本身的去除能力逐渐下降。与此同时,在污水中的时间一长,沸石表面容易形成生物膜,此生物膜对氨氮及磷亦有很强的去除能力。此外,沸石可利用物理化学法、化学法等进行改性,增强沸石的吸附、离子交换能力,从而使其对氨氮的去除能力更强。鉴于沸石以氨氮及磷的去除能力,常将沸石用于富营养化水体的治理当中,也可选用适宜的沸石作为湿地处理中的填料,不仅解决了填料成本的控制,也有效地利用湿地填料对有害物质的去除能力。另外,还可利用沸石对污泥进行脱氮除磷处理。

2)沸石去除水中的重金属离子

除了利用天然或改性的沸石脱氮除磷外,经实验研究发现,改性后的沸石对重金属的去除效果较好。通常利用酸碱处理后的沸石,也可利用NaCl对其进行了改性。改性后沸石对污水中铅、锌、镉、镍、铜、铯、锶等均具有吸附作用。被沸石吸附交换的重金属离子可浓缩回收。此外,用于去除重金属离子的沸石经处理后仍可被再生使用。与一般的重金属处理方法相比,沸石具有处理能力大,处理费用低等优点。

3)利用沸石去除水中的有机污染物

污水中的污染物主要的各种不同类型的有机污染物。沸石的吸附能力不仅能吸附水中的氨氮及磷,还能一定程度地去除水中的有机污染物。沸石可处理污水中的极性有机物,其中包括常见的有机污染物如酚类、苯胺、氨基酸等。另外,可利用活性炭与沸石一起可提高其对水中有机物的去除能力。

4)利用沸石去除饮用水的氟

近年来,饮用水中氣含量偏高越来越受到人们的重视。实验证明,利用NaOH处理后的沸石对水中的氟具有一定的去除能力。利用沸石处理含氟水基本可达到饮用水标准,且工艺简单,处理效率稳定,处理成本低。

5)利用沸石去除放射性物质

可利用沸石的离子交换性能去除水中的放射性物质。交换了放射性离子的沸 石被熔化后可将放射性离子永久地固定在晶格内,从而防止放射性物质的再度污染。

4 应用前景

到目前为止,沸石在水处理领域已有一定程度的应用。但由于不同污水的来源各不相同,成分也相对复杂,实际操作条件的限制等不同因素的影响,使沸石应用于水处理暂时多数处于实验研发阶段,大面积地实际应用工程暂时较少。应加强沸石有效活化、再生方法;沸石与其他技术相结合的有效污水处理方法;沸石水处理方面应用深层机理分析等方面的研究。使沸石在水处理方面的应用得以产业化。且我国沸石资源相对丰富,总储量居世界前列。江西省内沸石资源也相对丰富。若大面积地采用存量较丰富的沸石取代昂贵少量的其它水处理材料用于水处理领域,适应现阶段中国水处理需求。