改性沸石在廢水處理中的應(yīng)用分析

楊 臻，李培啟

（信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 信陽 464000）

將天然的非金屬礦應(yīng)用于廢水處理領(lǐng)域，是新時(shí)代生態(tài)研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)。其中，沸石具有催化性、耐酸性、吸附性、抗毒性和生物活性等一系列物理特性與化學(xué)特性，使得其一經(jīng)發(fā)現(xiàn)便引起了廣大研究人員的濃厚興趣。目前，沸石資源已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到獸藥、飼料、養(yǎng)殖、環(huán)保等領(lǐng)域，尤其是其在廢水處理中的研究也不斷深入。這就使改性沸石處理成分復(fù)雜的生活廢水成為可能，使其擁有更為廣泛的應(yīng)用前景。

1 沸石的主要特性

1.1 離子交換性

沸石的空間結(jié)構(gòu)主要是由一個(gè)鋁原子或者硅原子與四個(gè)氧原子構(gòu)成的鋁或者硅氧四面體。在沸石的四面體結(jié)構(gòu)中，如果氧原子中的一些價(jià)鍵沒有予以中和，會使整個(gè)四面體產(chǎn)生負(fù)電，而為了對電中和進(jìn)行保護(hù)，不足的正電荷就會由周圍含有正電陽離子的堿土金屬離子進(jìn)行補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)平衡[1]。但平衡水分子與陽離子非常容易同附近水溶液中的陽離子進(jìn)行交換，沸石資源的結(jié)構(gòu)在交換后并未遭到破壞，反而使得沸石資源具備離子交換的特性。因此，沸石具有突出的離子交換性。

1.2 吸附性

沸石的晶格內(nèi)部結(jié)構(gòu)開放性較大，具有架狀的鋁或硅氧骨干，以及諸多通道與空穴，其中空穴可以經(jīng)過開孔的一些通道相互連通，從而促使沸石資源的比表面積非常龐大[2]。同時(shí)，平衡陽離子含有的正電與陽離子晶格內(nèi)部含有的負(fù)電的電荷中心，在實(shí)際空間層面上并非相互重疊，因此分子間有強(qiáng)大的靜電吸引力。強(qiáng)靜電吸引力與大比表面積使得沸石的吸附性能非常強(qiáng)，特別是對氨氮、二氧化硫等諸多污染性氣體的吸附性更強(qiáng)。

1.3 催化性

沸石資源的催化性主要表現(xiàn)為：當(dāng)特定反應(yīng)在沸石資源內(nèi)部的大空穴表面進(jìn)行寄附時(shí)，其實(shí)際的反應(yīng)速度會加快，反應(yīng)生成的一些新物質(zhì)又會從沸石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中擴(kuò)散并釋放，但沸石資源的晶格結(jié)構(gòu)并不會被破壞。從中可以看出，沸石的催化性十分顯著。

1.4 熱穩(wěn)定性

沸石的結(jié)構(gòu)由三維鋁或硅氧骨架組成，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)決定了其具有優(yōu)質(zhì)的熱穩(wěn)定性。實(shí)際研究發(fā)現(xiàn)，在0～300℃的范圍內(nèi)，自然沸石會出現(xiàn)脫水與吸熱的現(xiàn)象；當(dāng)溫度達(dá)到650℃左右時(shí)，自然沸石會開始放熱；當(dāng)溫度上升到800℃時(shí)，自然沸石依然未出現(xiàn)斷裂。因此，沸石資源的熱穩(wěn)定性非常明顯[3]。

2 制備改性沸石的具體方法及改性沸石在廢水處理中的實(shí)際應(yīng)用

2.1 改性沸石的制備方法

2.1.1 酸改性沸石的制備方法

分別稱取10 g粒徑為58～120 μm的天然沸石置于0.1 mol/L的鹽酸和0.1 mol/L的硫酸溶液中處理24 h，用蒸餾水洗至中性，在室溫下恒溫振蕩30 min（30℃，200 r/min），洗凈后于105℃下干燥2 h。

2.1.2 鹽改性沸石的制備方法

稱取10 g粒徑為58～120 μm的天然沸石置于濃度為0.8 mol/L含200 mL NaCl的錐形瓶中，于75℃水浴加熱2 h，多次攪拌后抽取濾液，用蒸餾水洗至中性，恒溫振蕩60 min（30℃，200 r/min），棄去上清液并用蒸餾水沖洗若干次，于105℃下干燥2 h。

2.1.3 有機(jī)改性沸石的制備方法

分別稱取10 g粒徑為58～120 μm的天然沸石置于一定濃度的HDTMA（三甲基十六烷基溴化銨）溶液和CPB（溴代十六烷基吡啶）溶液中，60℃水浴下攪拌2 h，靜置冷卻至室溫后過濾，蒸餾水洗滌4～5次，90℃下烘干，再于105℃下活化2 h，即得到改性的有機(jī)沸石。

2.2 改性沸石在廢水處理中的應(yīng)用

2.2.1 HDTMA改性沸石處理廢水

研究表明，30℃為HDTMA改性沸石在處理廢水過程中的最優(yōu)吸附溫度，1 h則為改性沸石處理廢水過程中的最優(yōu)吸附時(shí)長。另外，制備出的HDTMA改性沸石去除廢水中的磷酸鹽、氨氮與CODCr等物質(zhì)的功能要遠(yuǎn)優(yōu)越于天然的沸石。因此，將HDTMA改性沸石應(yīng)用于廢水處理具有良好的效果。

2.2.2 CPB改性沸石處理廢水

通過對改性沸石的制備可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對20 mL的廢水進(jìn)行處理時(shí)，選用0.8 g的改性沸石量效果更佳，要將吸附時(shí)長控制在60 min左右[4]。然而，一旦改性沸石的吸附量已經(jīng)處于飽和狀態(tài)，其隨著吸附時(shí)長的增加，會出現(xiàn)解吸現(xiàn)象。所以，通過CPB改性沸石對廢水進(jìn)行處理時(shí)，最好用0.8 g改性沸石處理20 mL生活污水，時(shí)間控制在60 min的效果最理想。

3 影響改性沸石處理廢水的主要因素

3.1 吸附的實(shí)際溫度

吸附的實(shí)際溫度對CODCr（化學(xué)需氧量）、氨氮和磷酸鹽的去除率影響比較顯著。譬如，當(dāng)吸附的實(shí)際溫度在15℃的基礎(chǔ)上不斷增加時(shí)，改性沸石對廢水中的磷酸鹽、氨氮與CODCr的去除效率表現(xiàn)出持續(xù)上升的態(tài)勢；當(dāng)吸附的實(shí)際溫度控制在30℃時(shí)，去除率達(dá)到最高值；當(dāng)吸附的實(shí)際溫度超過30℃時(shí)，去除率表現(xiàn)出下降態(tài)勢。因此，當(dāng)吸附的實(shí)際溫度處于30℃時(shí)，改性沸石的吸附量與吸附性能最佳。

3.2 吸附的具體時(shí)長

廢水中的CODCr對改性沸石的具體吸附時(shí)長比較敏感。比如，當(dāng)改性沸石在廢水處理過程中的吸附時(shí)長在30～60 min時(shí)，去除CODCr的數(shù)值表現(xiàn)出遞增態(tài)勢；當(dāng)吸附時(shí)長恰好為60 min時(shí)，去除值為最高點(diǎn)；當(dāng)吸附時(shí)長高于60 min時(shí)，數(shù)值沒有較大的變化，但當(dāng)時(shí)長超過70 min后，數(shù)值就會逐漸下降。因此，改性沸石在廢水處理過程中的最佳吸附時(shí)間為1 h。

3.3 投加的沸石數(shù)量

處理生活污水20 mL，CPB改性沸石投加量為0.2 g時(shí)，CODCr、氨氮和磷酸鹽的去除率不高；當(dāng)投加量為0.8 g時(shí)，CODCr、氨氮和磷酸鹽的去除率比較大；當(dāng)改性沸石的投加量變?yōu)?.0 g時(shí)，CODCr、氨氮和磷酸鹽的去除率基本保持不變。因此，處理20 mL生活污水，CPB改性沸石的最佳投加量為0.8 g。

4 改性沸石在廢水處理中應(yīng)用存在的主要問題及其應(yīng)用前景

4.1 改性沸石在廢水處理中應(yīng)用存在的主要問題

當(dāng)前，國內(nèi)外針對改性沸石在廢水處理中的應(yīng)用仍以實(shí)驗(yàn)室中的研究為主，對于廢水中各種污染物的處理與吸附研究還比較少。而實(shí)際生產(chǎn)生活中的廢水來源不盡相同，其成分極為復(fù)雜，因而需要結(jié)合具體狀況，確定更為科學(xué)的沸石改性方法與再生方法對廢水進(jìn)行處理[5]。由此可見，大力研究成本低、效率高、復(fù)合性的沸石改性方法是當(dāng)前的重要任務(wù)之一，同時(shí)這也是改性沸石在廢水處理中的應(yīng)用研究重點(diǎn)。

4.2 改性沸石在廢水處理中的應(yīng)用前景

應(yīng)用改性沸石處理廢水具有生態(tài)環(huán)保、效果好、成本低廉的顯著優(yōu)勢，因而改性沸石在廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。改性沸石作為全新的水質(zhì)凈化劑，已經(jīng)逐步從實(shí)驗(yàn)室走向工廠與市場，其商品化與工業(yè)化特性不斷顯現(xiàn)。特別是伴隨著對沸石的更深入研究，其未來的發(fā)展空間必將不斷擴(kuò)大。

5 結(jié)語

沸石資源具有較強(qiáng)的吸附性能、催化功能與離子交換作用，并且無味、無毒、天然，同時(shí)改性沸石的制備方法比較經(jīng)濟(jì)、簡單、實(shí)用，其去除氨氮的能力非常強(qiáng)，對有機(jī)物分子的吸附性能也很高。因此，加強(qiáng)改性沸石在廢水處理中的應(yīng)用研究，不僅有助于發(fā)揮改性沸石的環(huán)境保護(hù)功能，而且能夠?qū)崿F(xiàn)以廢治廢的重要目標(biāo)。