沸石分子筛是一族含碱或碱土金属、具有连通孔道并呈架状结构的硅酸盐或硅铝酸盐矿物, 是天然分子筛(即沸石矿)与人工合成分子筛的总称。其天然矿物由瑞典矿物学A.F.Cronstedt 于1756年研究铜矿时发现,从此便揭开了人类研究沸石的序幕。由于沸石矿具有大小固定且规整的孔道,且孔穴、孔径分布窄,只允许小分子物质进入孔穴,从而使沸石具有分子筛的作用; 再加上沸石分子筛具有阳离子交换、催化、耐酸耐热等特性,因此可去除水中氨氮及重金属离子、除氟、清除水面油污等,可达到较好的环境和经济效益。

在水环境污染治理中的应用进展

1、去除水中重金属离子

中国绝大多数城市的废水都不同程度存在重金属污染,虽浓度不高但会对人类造成极大伤害。沸石分子筛的骨架结构中的平衡阳离子在孔穴中与晶格结合力很弱,易与溶液中钡、铜、镉、铅、锌等重金属发生离子交换反应,利用此特性可以有效去除废水中的重金属离子。研究了4A沸石分子筛复合Fe3O4对Pb2+的吸附性能。

研究表明:在Pb2+初始质量浓度为200mg/L、pH为5、温度为30℃的条件下,对Pb2+去除率可达92.1%。利用13X分子筛去除废水中的Cr3+,在初始质量浓度为25mg/L、最佳pH为5的条件下,常温下对Cr3+去除率可达92.2%。通过机理分析可知,13X分子筛对Cr3+吸附符合Lang-muir等温线模型,吸附动力模型为Lagergren二级速率方程,控制速率步骤为颗粒内扩散。同时与阳离子交换树脂去除效果比较,13X分子筛吸附Cr3+平衡时间更短,去除率更高。利用粉煤灰制备出了Na型沸石分子筛,探讨了废水中pH、重金属离子(Cd2+和Ni2+)浓度、吸附时间等对吸附效果的影响。

结果表明:在pH为6.0、较低废水质量浓度(100mg/L)、25℃下吸附2h的条件下,对2种重金属离子效果最好,可达99%;随着离子浓度增加,吸附容量增加,但去除率随之降低,对2种重金属离子均符合二级吸附速率模型。

2、去除水中氨氮

沸石分子筛去除水中氨氮主要是由于NH4+与其晶格中K+、Na+、Ca2+发生的离子交换作用。

美国Rosement污水厂利用斜发沸石进行离子交换处理水量为2260m3/d,水中氨氮去除率达95%以上。用正硅酸乙酯为硅源,P123为模板剂,采用水热晶化法直接合成出SBA-15分子筛,在最佳温度(25℃)条件下,吸附2mol/L氨氮2h的吸附量达40.44mg/g。

研究发现:沸石分子筛对NH4+吸附速率为二级动力学方程;分子筛粒径较小,碱性或弱酸性条件下,氨氮去除率较高。由于沸石分子筛的离子交换容量由硅铝比决定,就对硅铝比(SiO2与Al2O3物质的量比,下同)分别为25及50的2种ZSM-5沸石分子筛对水中氨氮的吸附性能及影响因素进行了研究。结果表明,2种吸附等温线均符合Langmuir模型,硅铝比为25的分子筛比硅铝比为50的分子筛对氨氮的吸附量更大。研究发现,斜发沸石去除废水中氨氮的同时,有机物也被有效去除,且有机物的存在提高了沸石对氨离子的吸附量。

3、去除水中其他有害物

沸石分子筛还可去除水体中磷、放射性物质、酚及油类、脱色、降氟污染物。有研究者用沸石床模拟吸附滇池暴雨径流中磷的实验中,在前16h磷的去除率均达到50%。研究了焙烧、酸/碱溶液处理等方式活化对沸石吸附甲基橙的效果,结果表明通过HCl处理后对甲基橙的脱色率达68.7%,是原沸石的3倍;进一步负载TiO2,平衡吸附时间更长,达90min,且再生性好。