沸石及其在废水处理中应用的综合研究 8页

沸石及其在废水处理中应用的综合研究摘要：以NaCl为改性剂，采用微波辐射方法对天然沸石进行改性，研究NaCl浓度和辐射条件对改性沸石性能的影响，同时为探究改性沸石对NH4+的吸附规律，进行了等温吸附实验。研究结果表明：最佳改性条件是微波强度80%、辐射时间10min、NaCl浓度6%；实验沸石对氨氮具有较高的去除率，对NH4+的吸附等温线符合Langmuir公式，且对氨氮吸附量的极限值为10.0806mg/g.。关键词：微波辐射；改性沸石；氨氮；吸附作用Abstract:NaturalzeolitewasmodifiedusingNaClasmodifiedsourcebymicrowaveirradiation.TheeffectoftheconcentrationofNaClandirradiationconditionsonmodifiedzeolitewerestudied.ThekineticsofNH4+adsorptionbythemodifiedzeolitewasinvestigated.Theresultsshowthattheoptimummodifiedconditionisthatmicrowavepoweris80%,andtheconcentrationofNaClandtimeare6%and10minrespectively.Themodifiedzeolitecanabsorbammonianitrogeneffectively.TheprocessofammoniumadsorptionbythenaturalzeoliteisinaccordancewithLangmuiradsorption.ThemaximumofNH4+-Nadsorptionbythezeoliteis10.0806mg/g.Keyword:microwaveradiation;modifiedzeolite;ammonianitrogen;absorbingeffect引言目前世界上以发现的天然沸石矿种类已超过40种，是硅酸盐中最大的一种矿物。从内部微观结构看，沸石是呈骨架状结构的多孔性铝硅酸盐晶体，其晶体结构决定了它为一种多孔性物质，具有物理吸附性能，其表面积越大，吸附性能就越好；在天然沸石内部，阳离子分布在骨架结构的孔穴和孔道上，具有一定的流动性，可以NH4+、K+、、Na+、、Ca2+、、Pb2+等一些阳离子发生交换，因此沸石应用与污水中氨氮的吸附处理。1沸石的简介1.1沸石的概述8n自然界以发现的沸石有30多种，较常见的有方沸石、菱沸石、钙沸石、片沸石、丝光沸石等，都以含钙钠为主。它们含水量的多少随外界温度和湿度的变化而变化。晶体所属晶系随矿物种的不同而异，以单斜晶系和正交晶系的占多数。方沸石、菱沸石常呈等轴状晶形，片沸石、辉沸石呈板状，毛沸石、丝光沸石呈针状或纤维状。纯净的各种沸石均为无色或白色，具有玻璃光泽。莫氏硬度中等。比重节于2.0~2.3，含钡的则可达2.5~2.8。沸石主要形成于低温热液阶段，常见于喷出岩气孔中，也见于热液矿床和近代温泉沉积中。沸石可以借水的渗滤作用，以进行阳离子交换，其成分中的钠、钙离子可与水溶液中的钾、镁等离子交换，工业上用以软化硬水。沸石的晶体结构是由硅（铝）氧四面体连成三维的格架，格架中有各种大小不同的孔穴和通道，具有很大的开放性。碱金属或碱土金属离子和水分子均分布在空穴和通道中，与格架的联系较弱。不同的离子交换对沸石结构影响很小，但使沸石的性质发生变化。晶格中存在的大小不同空腔，可以吸取或过滤大小不同的其他物质的分子。工业上常将其作为分子筛，以净化或分离混合成分的物质，如气体分离、石油净化、处理工业污染等。1.2沸石的结构特点与性质沸石的骨架结构由硅氧四面体和铝氧四面体构成，其骨架中的每个氧原子都为相邻的两个四面体共用，在铝氧四面体中由于一个氧原子的价电子没有得到中和，使得整个铝氧四面体带有一个负电荷，为保持电中性，必须有一个带正电荷的金属阳离子来抵消它的负电荷，这些阳离子和沸石结构中存在的水分子与沸石构架结合的不紧密，可以进行阳离子交换和可逆的脱水，而沸石的晶体结构不被破坏。由于硅（铝）氧四面体连接方式的不同，在沸石结构中形成很多孔穴和孔道，其晶穴体积约占总体积的40%—50%。沸石晶体结构中具有大量均匀的微孔，孔径与一般物质的分子大小相当，其表面积达400—800m2/g，A型沸石的表面积高达1000㎡/g，这种独特的结构和晶体化学特性使沸石具有优良的物理化学性能，如离子交换性、吸附分离性、催化性、热稳定性、耐酸性等。1.3沸石的用途　沸石常用作离子交换剂、吸附分离剂、干燥剂、催化剂、水泥混合材料。在石油、化学工业8n中，用作石油炼制的催化裂化、氢化裂化和石油的化学异构化、重整、烷基化、歧化；气、液净化、分离和储存剂；硬水软化、海水淡化剂；特殊干燥剂（干燥空气、氮、烃类等）。在轻工行业用于造纸、合成橡胶、塑料、树脂、涂料充填剂和素质颜色等。在国防、空间技术、超真空技术、开发能源、电子工业等方面，用作吸附分离剂和干燥剂。在建材工业中，用作水泥水硬性活性掺和料，烧制人工轻骨料，制作轻质高强度板材和砖。在农业上用作土壤改良剂，能起保肥、保水、防止病虫害的作用。在禽畜业中，作饲料（猪、鸡）的添加剂和除臭剂等，可促进牲口成长，提高小鸡成活率。在环境保护方面，用来处理废气、废水，从废水废液中脱除或回收金属离子，脱除废水中放射性污染物。　　在医学上沸石用于血液、尿中氮量的测定。沸石还被开发成为保健用品，用于抗衰老，去除体内积累的重金属。　随着实心黏土砖逐步退出舞台，新型墙体材料应用比例目前已达到80%墙体材料生产企业以煤矸石、粉煤灰、陶粒、炉渣、轻质工业废渣、重质建筑垃圾、沸石等为主料，积极开发新型墙体材料。2沸石的性子及其在水处理中的应用2.1斜发沸石的物理性质及吸附作用斜发沸石矿属于单斜晶系，它的晶体结构中存在两种晶孔，一种十元环，最大直径和最小直径分别为7.9和3.5A；另一种为八元环，最大直径和最小直径分别为4.4A和3.0A。斜发沸石的动力学直径为3.5A。其主要物理性质见表2—1。在水处理中通常是利用沸石的离子交换和吸附性能除去水中各种污染物质。与活性炭吸附仅依靠色散力不同，沸石的吸附力是色散力与静电力的加和，因其孔穴中含有阳离子，而骨架氧带负电荷，在阳离子的周围便形成强大的电场，所以对极性、不饱和、易极化分子具有优先的选择吸附作用。颜色硬度比重折射率骨架密度(g/ml)含水沸石密度(g/ml)白3—42.161.4791.712.16孔隙率（ml/ml)离子交换容量(meq/g)热重分析失重（%）差热分析结构稳定温度(℃)吸热峰(℃)放热峰(℃)0.342.1314125—300>10007502.2沸石的改性方法8n改性处理是矿物性质人工改变的重要技术途径，通过改性处理，可提高沸石的选择性和稳定性。沸石的改性方法主要可分为两大类：（1）结构改性各种类型的沸石都有一定的骨架硅铝比范围，通过不同的方法改变沸石的结构，可以使沸石骨架脱铝。低硅沸石脱铝后，可提高其热稳定性和水热稳定性，增加酸位密度。高硅沸石脱铝后，可提高其疏水亲油性，降低酸为密度。水热脱铝是这类改性的典型方法。（2）表面改性表面改性指利用各类材料或助剂，采用物理化学方法对矿物表面进行处理，有目的地改善或完全改变矿物的物理技术性能或表面物理化学性质。常用方法有：①处理酸碱：经酸碱处理后，沸石的比表面积增大，吸附性增强，表面活性增强。无机酸改性的机理主要是：其一，半径小的H+置换了孔道原有的半径大Ca2+,Mg2+等阳离子，使孔道的有效空间拓宽；其二，酸溶解了沸石孔道中原存的一些杂质，使孔道得以疏通；其三，酸处理导致沸石的结晶构造发生一定程度的变化，增加其吸附活性中心。②加热处理：加热处理可除去沸石孔洞中充填的沸石水、碳酸盐和有机物，使内表面机变大，孔道被疏通，大大提高了沸石的吸附交换能力，同时保沸石的结构不被破坏。③有机物改性：主要采用表面活性剂。表面活性剂分子较大，不能进入沸石孔穴内部，只是在沸石表面的作用点发生作用，由于表面活性剂疏水的长碳链相互作用，在沸石表面形成了一层类似胶束的覆盖物，非极性有机物可在表面活性剂形成的有机相中被除去。表面活性剂改性在保持沸石对重金属离子、氨离子和其他无机物及某些有机物去除能力的同时，还可有效去除水中的含氧酸阴离子，并大大提高其去除有机物的能力。2.3沸石在水处理中的应用研究近年来国内外对沸石特别是斜发沸石在微污染饮用水源处理中的应用做了大量研究工作。沸石具有独特的吸附、筛分和离子交换性能，在饮用水处理中有很好的应用前景。沸石在处理引用水中污染物的应用主要包括以下两个方面：⑴沸石去除有机污染物8n沸石对极性小分子有机物如卤代甲烷、卤代乙烷、酚类、氨基酸等有较强的吸附能力，天然水中的高分子有机酸，因分子庞大不能进入沸石孔穴，但这类分子往往带有—COOH、—NH2、—OH等强极性官能团，能被沸石的外表面吸附而得以除去。⑵沸石去除氨氮氨是极性很强的小分子，斜发沸石对氨氮有较高的选择交换性，其交换能力远大于活性炭和离子交换树脂。沸石去除氨氮的原理是其对非离子氨的吸附作用和与离子氨的离子交换作用。3改性微孔沸石球去除氨氮的性能研究研究按最佳工艺条件制备的改性微孔沸石球对低浓度氨氮的去除效果。3.1沸石投加量的影响沸石投加量对低浓度氨氮的去除效果影响结果如图一所示。图一3.2氨氮浓度的影响配制不同浓度的模拟氨氮废水，测定改性微孔沸石球对各模拟水样中氨氮的去除效果，结果如图二所示。8n图二3.3PH的影响用1mol/L的NaOH和HCL溶液调节模拟废水的PH值，测定改性微孔沸石球在不同对氨氮的去除效果，实验结果见图三。图三3.4温度的影响用恒温水浴振荡器调节温度，测定改性微孔沸石球在不同温度下对氨氮的去除效果，实验结果见图四。8n图四结论：⑴沸石投加量越大，氨氮去除率越高。对氨氮浓度为10㎎/L的模拟废水，沸石的投加量为5.33g/L时，较为经济合理；⑵随着氨氮浓度的增加，沸石对氨氮的去除率呈下降趋势，但实际情况中水源中氨氮浓度一般低于10㎎/L，当沸石投加量为5.33g/L时可得到90%以上的去除率；⑶酸性条件不利于沸石去除氨氮，时氨氮去除率比中性和碱性时降低30%以上。⑷氨氮去除率随着温度升高而增加，高温条件下（25℃以上）温度对氨氮去除的影响比低温时小的多。结束语随着生活水平的提高，人们对饮用水的质量要求越来越高。现有的自来水过滤介质一般为石英砂滤料，它对氨氮和微量有机物的去除能力很弱；而沸石是一种天然无毒的非金属矿物原料，具有很强的吸附氨氮和微量有机物的能力，比石英砂具有更加优良的性能。因此，我们应更深入的研究和探索沸石的各种优异性质，这样才能让沸石更充分的为人们所利用。参考文献[1]温东辉，唐孝炎，马倩如.天然沸石氨吸附容量研究[J].环境科学研究，2003，16(2):31-34.[2]肖举强，于连群.活化沸石去除水中氨氮的研究[J].8n兰州铁道学院学报，1995，14(1):79-82[3]李晔，肖文浚，彭长琪.沸石改性及其对氨氮废水处理效果的研究[J].非金属矿,2003,26(2):53-55[4]曲格平.环境保护知识读本[M].北京红旗出版社，1999[5]胡孙林，钟理.氨氮废水处理技术[J].现代化工，2001，21(6):47-52[6]霍守亮，席北斗，刘鸿亮，等.磷酸氨镁沉淀去除与回收废水中氮磷的应用研究进展[J].化工进展，2007，26（3）：371-376.[7]王浩，陈吕军，温东辉.天然沸石对溶液中氨氮吸附特性的研究[J].生态环境.2006，15（2）：219－223.[8]郝凌云，周荣敏，周芳，等.磷酸按镁沉淀法回收污水中磷的反应条件优化[J].工业用水与废水,2008,39(1)：58-61.[9]水和废水监测分析方法（第四版）[M].北京:中国环境科学出版社.2002.[10]N.A.Booker,E.L.Cooney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