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天然沸石在水处理中的4大应用

发布时间:2019-09-10     浏览次数:972

沸石是沸石族矿物的总称,是一种架状铝硅酸盐矿物,含水和碱或碱土金属,其组成可用一般化学式表示为:M2/nO.Al2O3.xsio2.yh2o,M代表价数n为的阳离子。沸石可分为天然沸石和合成沸石两大类。入工合成沸石主要用作催化剂,其应用研究已经较为深入。天然沸石是1756年瑞典矿物学家首先发现,由于具有优于合成沸石的热稳定性、耐酸性、耐辐射性,以及成本低、储量大等特点,已成为当今世界各国极为重视的新兴矿产资源,并越来越受重视。研究表明,天然沸石在地壳中分布广泛,现已发现的天然沸石约40多种,常见的有斜发沸石、毛沸石、丝光沸石、辉沸石、片沸石和菱沸石等。由于其优越的离子交换性、吸附性、孔道择形性等性能而广泛应用于建筑材料、石油化工、环境保护和农业等部门。当前环境污染治理技术大多存在设备复杂、成本高和效率低等不利因素而难以在实践中推广。寻求和开发利用成本低廉的环保技术是解决环保与生产、环境与发展的矛盾所在。天然沸石具有比较大的表面积、优良的离子交换性能和吸附性及其丰富的储量,低廉的成本而在环保领域中得到了广泛的应用并取得了许多新的研究成果。本文就此介绍了近年来天然沸石在环境保护中的应用研究的一些主要进展。

水处理滤料

沸石在水处理方面的应用

天然沸石由以硅铝氧四面体为基本结构单元组成的单元环、双元环、笼等形成的三维空间的架状构造的结晶多面体。在其晶体内部存在着大量排列有序、大小均匀、彼此贯通并与外界相连的孔穴和孔道(孔径一般0.3-1.0nm)。这些空腔和孔道中占据着阳离子和水分子,当经过一定温度烘烧会部分或全部脱水,而其结晶骨架并未破坏,从而形成一个个内表面很大的空穴,可吸附并储存大量分子。各种沸石晶体内部都有自己特定形状和大小的的空穴和孔道,只有直径较小的分子才能通过孔道而被吸附,沸石因这种选择性吸附性能又被叫做分子筛。相比之下,活性碳、硅胶等由于其孔径变化较大,大小分子均可进入,不具有选择性吸附的特性。由于在沸石构架中,阴离子晶格上的负电荷与平衡阳离子的正电荷中心在空间上是不重叠的,因此沸石内部具有较大的静电吸引力,对H2o,NH3,h2S,等极性分子具有很强的亲合力。另外,由于沸石结晶骨架中的阳离子与骨架的维系力较弱而具有良好的离子交换性能。常见的天然沸石都具有较高的离子交换容量,如斜发沸石理论交换容量为213mmol/hg。

过去工业废水的处理一般用活性炭作吸附剂,但由于活性炭造价较高,再生复杂且费用昂贵,使污染处理在经济上难以承受。天然沸石由于比表面积大、吸附性能高、离子交换性良好,功能与活性炭相当甚至更好,它在水处理方面得到了广泛的研究,特别是在高氟水处理、工业污水处理、生活用水净化和硬水处理等方面已取得了不少研究成果。

1、去除废水中的氨氮和磷

由于水体中氨氮和磷含量增加会导致水体的富营养化,从而破坏水生态环境,故有效去除废水中的、已成为水处理的重要内容之一。目前,利用天然沸石去除废水中的N、p,在国内外获得了较为广泛的研究。探索了以北京国投盛世沸石为离子交换剂,用饱和nacl溶液为洗脱剂处理含铵废水的新工艺,证明采用此工艺处理含铵废水,结果均能达到国家环保标准规定的废水排放标准,且原料成本低,设备简单,经济合理。另外,首次利用生物沸石反应器通过特定处理的颗粒沸石作为生物载体的一种固定生物膜处理装置去除微污染水源水中的氨氮、no2-n、Mn、有机物、色度、浊度等,经长期运行测试,生物沸石反应器对nh3-n平均去除率达93%,对no2-n为90%,对有机物达32%。选用木兰围场的天然沸石经活化后处理含磷废水,结果表明活化沸石能有效去除生活污水中的磷化物,并得出最佳除磷条件沸石粒径0.5-1.6mm,ph4-12,β(p)=30mg/L,滤速为3m/h。

2、去除或回收废水中的重金属

重金属废水主要来自金属矿山、冶炼、电解、电镀、农药、医药、油漆、染料等工业。由于重金属不能被生物降解为无害物,它们在水中富集,造成水体污染,并通过食物链最终危害入类健康。近年来,重金属元素污染对入类生存环境的威胁已引起各国科学家的关注,而天然沸石由于具有良好的吸附性及离子交换性在去除或回收废水中的重金属元素方面得到广泛的应用。研究了山东胶州沸石处理Ni2+废水,发现在ph≥4,p(ni2+)≤100mg/l时,按镍/沸石质量比为1:800投加沸石,Ni2+的去除率大于99%,出水可达标排放。用广东和平斜发沸石进行锌吸附实验,发现沸石对锌的等温吸附线呈langmuir型,且吸附锌后水解很少。将天然沸石和煤粉按一定比例混合,在的600℃下灼烧成多孔质高强度沸石颗粒,然后研究其对Ni2+的吸附性能及其再生利用,研究表明该沸石颗粒对Ni2+产有很强的吸附性,当Ni2+含量为50-140mg/l的废液经该沸石处理后,镍离子浓度显著降低,吸附率为价87%-91%,且该沸石用0.5mol/LNaCL溶液处理后可重复使用。将天然沸石改性后用于电镀废水,成功地去除了其中的重金属离子Cr6+、Zn2+,并发现经氯化钠和盐酸混合液处理再生后的沸石还可重复使用。

研究了用天然沸石对Cd2+(10-50mg/L)吸附的动力学与热动力学,并讨论了沸石对锅吸附的影响因素及其再生方法。研究了多种金属离子共存及有有机物存在时18h内天然斜发沸石对工业废水中金属离子的去除能力在酸性范围内天然斜发沸石能有效去除溶解性铅和锅,去除率大于95%,当有CR(vi)存在时,铅和锅的去除率大大降低,这是由于它们之间相互反应形成了化合物从而降低了离子交换亲合力,而有机物的存在对重金属离子的去除影响不大,因为沸石空穴和孔道大小限制了有机物的进入。

3、去除氟

目前,我国在利用天然沸石及其活化改性制品降氟方面做了许多试验性工作,发现沸石除氟效果良好,使处理后的水含氟达到了国家规定标准。进行了活化沸石降氟实验,并进行了应用实验,发现经活化沸石处理后,水质可达饮用水标准。该法设备简单,操作管理方便,成本低廉,且沸石经明矾水循环浸泡即可再生利用。用天然斜发沸石经碱液处理后,可使含氟3-10mg/l的废水降至0.5-0.8mg/l,且各项水质指标均达到饮用水标准。

4、去除有机污染物

由天然沸石的结构特点决定了它的内表面只能吸附一些较小的有机分子,如CCl4、Ch4等小分子,而一些分子粒径比沸石孔径大的有机分子则不能进入沸石孔道内,但含极性基团或含可极化基团的有机物分子能在天然沸石外表面发生强烈吸附。实验研究表明天然沸石对水体中乳化油类有明显的去除作用,并指出它是一种优良的深度除油新材料。分别用含天然沸石和沙子的生物暴气膜处理纺织废水,经过7个月的监测发现cod的去除率分别为88%和75%,五个月时间后,以12m³/d的废水通过含天然沸石的生物膜,bod去除率为99%,COD去除率为92%,脱色率达到78%,用天然沸石和活性炭联合作用去除水中苯酚废水中的苯酚和苯胺,发现其去除率分别达到86%和98%,而纯粹用天然沸石去除含酚废水中的苯酚,去除效率较低,仅为30%多,并指出若将天然沸石改性后可望提高其去除苯酚的效果。

近年来,用有机物改性的沸石,特别是用表面活性剂改性的沸石得到了广泛的研究。发现经阳离子表面活性剂改性的沸石,在保持原有性能外,还可有效去除水中的含氧酸阴离子,并大大提高了其去除有机物的能力。他用经hdtma、mpp改性的沸石去除水中的非极性有机化合物苯、甲苯、二甲苯、乙苯、三氯乙烷、全氯乙烯,发现当表面活性剂分子在沸石表面处于单层状态时,全氯乙烯的去除效果最好。研究了天然沸石钠沸石、斜发沸石从水中去除酚类和苯胺类化合物的能力,验表明,4h内斜发沸石的去除能力大于钠沸石,可达45-65%去除率,如果用CDS尤其是CD-a改性处理斜发沸石后,其去除废物能力可大大提高,可达65%-74%的去除率。

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