沸石處理廢水中重金屬離子的應(yīng)用及研究

張偉娜　尚珂　初開艷

（1.中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176；2.北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司，北京 100029；3.青島市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山東青島 266071）

沸石處理廢水中重金屬離子的應(yīng)用及研究

張偉娜1尚珂2初開艷3

（1.中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176；
2.北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司，北京 100029；3.青島市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山東青島 266071）

沸石是一種含水架狀結(jié)構(gòu)的多孔硅鋁酸鹽礦物。天然沸石吸附量大、吸附效率高，同時(shí)具有離子交換性能及擇型催化性能，在吸附含重金屬離子廢水方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。改性后的沸石在自身基礎(chǔ)上擁有更高的孔隙率、表面活性、吸附性能和離子交換性能及交換量。本文對近年來天然及改性沸石去除廢水中重金屬離子方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究，提出了沸石處理廢水中重金屬離子的問題及應(yīng)用發(fā)展方向。

沸石 廢水 重金屬離子 吸附

1　引言

在人類的工生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生與排放大量含重金屬離子的廢水。由于重金屬離子不能被生物降解為無害物，而在水體中富集，并通過食物鏈最終危害人類健康。沸石是自然界中廣泛存在的一種硅鋁酸鹽礦物，它具有特殊的四面體結(jié)構(gòu)，及較大的表面積和較高的離子交換和吸附能力，可有效去除重金屬離子并回收利用。

2　沸石結(jié)構(gòu)

沸石是一種含水架狀結(jié)構(gòu)的多孔硅鋁酸鹽礦物，是沸石族礦物的總稱。構(gòu)成沸石骨架最基本的結(jié)構(gòu)是硅氧（SiO4）四面體和鋁氧（AlO4）四面體。在鋁（硅）氧四面體中，由于一個(gè)氧原子的價(jià)電子沒有得到中和，使得整個(gè)鋁（硅）氧四面體帶有一負(fù)電荷，為保持電中性，附近必須有一個(gè)帶正電荷的金屬陽離子來抵消。由于晶體結(jié)構(gòu)的開放性，沸石含有許多排列有序、大小均勻、彼此貫通并與外界相連的空穴和孔道，是最典型的具有納米介孔結(jié)構(gòu)的非金屬礦物［1］。

3　沸石的性能

3.1吸附

沸石晶體的大量孔穴和孔道［2，3］（孔穴度高達(dá)40%～50%），其中占據(jù)著陽離子和水分子，當(dāng)經(jīng)過烘燒使它部分或全部脫水后，其結(jié)晶骨架并未破壞，從而形成一個(gè)內(nèi)表面積很大的孔穴，可吸附并儲存大量分子。沸石與其它吸附劑相比還具有以下特點(diǎn)：

（1）吸附量大，一般固體顆粒每克僅有幾個(gè)平方米的內(nèi)表面積，而每克沸石的內(nèi)表面積竟有千余平方米。（2）高選擇性 沸石晶體內(nèi)部的空穴和孔道大小均勻固定。只有直徑較小的分子才能通過沸石孔道進(jìn)入空穴被吸附，沸石因其具有選擇吸附性能，也稱為分子篩。（3）高效吸附 由于沸石晶體內(nèi)部有強(qiáng)大的庫侖場和極性起著作用，所以對H2O、NH3、H2S、CO2等高極性分子具有很強(qiáng)的親合力，特別是對水，即使在相對低濕度和低濃度、高溫等不利條件下，仍能吸附，吸水量比硅膠和活性氧化鋁都高。

3.2離子交換性能

沸石中K+、Na+、Ca2+等陽離子與結(jié)晶格架的結(jié)合不很緊密，具有在水溶液中與其他陽離子進(jìn)行可逆交換的性質(zhì)。交換后沸石晶格結(jié)構(gòu)并未被破壞，只是通過離子交換使得晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電場、比表面積等發(fā)生了某種變化。

3.3擇形催化

活化處理后的天然沸石，具有催化性能。沸石內(nèi)部的孔穴相互溝通的通道大小決定了吸附質(zhì)能否被吸附，只有那些分子直徑小于通道直徑的吸附質(zhì)才能通過通道進(jìn)入籠內(nèi)被吸附。因此在沸石內(nèi)部進(jìn)行的許多催化具有擇形性［2，3］。另外，沸石還是理想的催化劑載體。

4　沸石去除水中的重金屬離子

4.1天然沸石去除水中的重金屬離子

天然沸石由于具有良好的吸附性及離子交換性，在去除及回收廢水中的重金屬元素方面得到廣泛的應(yīng)用。Sabeha Kesraoui Ouki［4，5］等研究了斜發(fā)沸石和菱沸石對含有多種重金屬離子的廢水的處理效果，結(jié)果表明兩種沸石對Pb2+都有很好的去除能力，對各種離子選擇吸附的順序，菱沸石為：Pb＞Cd＞Zn＞Co＞Cu＞Ni＞Cr；斜發(fā)沸石為：Pb＞Cu＞Cd＞Zn＞Cr＞Co＞Ni。離子初始濃度對斜發(fā)沸石的吸附效果有較大影響（Pb除外，大部分情況下去除率都在100%），初始濃度為10×10-6時(shí)，吸附效果最好。離子濃度對菱沸石的去除效果影響不是很明顯。菱沸石的交換容量大于斜發(fā)沸石，主要是由于菱沸石骨架中較多的Si被Al取代，因此骨架負(fù)電荷較多，交換容量大，故其對金屬離子的去除率較高。溶液pH值對去除率也有影響，pH值降低，去除率升高?？偟膩碚f，兩種沸石的去除能力并不因?yàn)槿芤褐卸喾N重金屬離子的存在而受到影響，因此在處理含有多種重金屬的廢水方面有很大的應(yīng)用前景。

S.T.Bosso［6］等人用鈣沸石對水中多種重金屬離子（Pb2+、Cu2+、Zn2+、Ni2+、Co2+和Cd2+）的去除進(jìn)行了研究。試驗(yàn)在含有重金屬的水中加入0.5g樣品，室溫下持續(xù)攪拌24h。研究表明，鈣沸石對Cu2+具有極大的親和力，吸附量為130×μeq/g（溶液pH值=6，Cu2+初始濃度Ci=30mg/L，液固比=200）。

4.2改性沸石去除水中的重金屬離子

為進(jìn)一步提高天然沸石的吸附，離子交換等性能。可以對天然沸石進(jìn)行改性處理。改性后可以明顯提高其孔隙率、表面活性、吸附性能和離子交換性能及交換量。

陳國安采用稀無機(jī)酸（HCl、H2SO4、HNO3）改性天然沸石，試驗(yàn)表明改性后能增強(qiáng)其吸附性能。將改性后天然沸石用于處理Cr6+和Zn2+初始質(zhì)量濃度皆為17～32mg/L的電鍍廢水，可使出水中重金屬離子Cr6+、Zn2+濃度低于國家排放標(biāo)準(zhǔn)，沸石經(jīng)鹽酸和氯化鈉混合液解吸再生后可重復(fù)使用，處理成本為1元/T左右［7］。

李曼尼研究了Cl-、F-共存時(shí)，NaCl改性的Na型斜發(fā)沸石對廢水中Cu2+交換量及廢水深度凈化率的影響規(guī)律［8］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)NH3Cl預(yù)處理，N aC l改性的Na型斜發(fā)沸石深度凈化工業(yè)廢水中Cu2+時(shí)，Cu2+的初始質(zhì)量濃度為20mg/L和40mg/L時(shí)，可以忽略Cl-、F-共存陰離子及其在溫度變化不大時(shí)對Na+和Cu2+水熱交換量的影響，廢水Cu2+去除率可達(dá)97%以上，而Na型沸石的陽離子交換率僅達(dá)8%，因此在工業(yè)廢水的治理中Na型斜發(fā)沸石有很好的應(yīng)用價(jià)值。

5　應(yīng)用前景與展望

我國沸石資源豐富，價(jià)格低廉，性質(zhì)優(yōu)良，所以沸石在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用有著其他礦物質(zhì)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。但是，沸石作為一種新型的水處理劑，目前在技術(shù)上還不太成熟，而且其吸附特性與其固有的結(jié)構(gòu)有著直接的聯(lián)系，因此要真正廣泛應(yīng)用于實(shí)踐還需開展大量工作。

一是尋找將沸石的吸附作用與其他技術(shù)相結(jié)合處理含重金屬的污染水源的有效方法，利用沸石獨(dú)特的特性聯(lián)合其他處理工藝，達(dá)到各自的優(yōu)勢互補(bǔ)。二是由于天然沸石種類很多，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須經(jīng)過實(shí)驗(yàn)合理選用，而且廢水由于來源不同，成分復(fù)雜，因而需根據(jù)具體情況確定合理的操作條件，通過中試及生產(chǎn)性試驗(yàn)，探討出沸石處理各種水源的最佳工藝條件，確定運(yùn)行參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)工廠化工藝水處理。三是必須根據(jù)具體情況確定合理的再生方法，使飽和失效的沸石再生，減少資源浪費(fèi)及避免新的污染。

［1］Jun Li.Studies on natural STI zeolites，modifition，structure，adsorption and catalysis［J］.Microporous Mesoporoua Water，2000 （3）：365-378.

［2］Mark E.Davis and Raul F.Lobo.Zeolite and molecular sieve Synthesis［J］.Chem.Mater.1992（4）：756-768.

［3］閻子峰.納米催化技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［4］Sabeha Kesraoui Ouki and Mark Kavannagh.Performance of natural zeolites for the treatment of mixed metal-contaminated efeluents［J］.Waste management & Research，1997（15）：383-394.

［5］S.K.Ouki，M.Kavannagh.Treatment of metals-contaminated wastewaters by use of natural zeolites［J］.Wat.Sci.Tech，1999 （10-11）：115-122.

［6］S.T.Bosso，J.Enzweiler.Evaluation of heavy metal removal from aqueous solution onto scolecite［J］.Water Research，2002（36）：4795-4800.

［7］陳國安.沸石處理重金屬離子廢水的試驗(yàn)研究［J］.礦產(chǎn)保護(hù)與利用，2001（6）：17-19.

［8］李曼尼，張景林，孟克巴雅爾，等.Cl-、F-陰離子共存在時(shí)Na型斜發(fā)沸石與廢水中Cu2+交換性能的研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2001，21（增刊）：93-96.

偉娜（1982—），女，河南安陽人，碩士研究生，畢業(yè)于北京科技大學(xué)，工程師，現(xiàn)就職于中冶京誠工程技術(shù)有限公司，研究方向：給排水設(shè)計(jì)。