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沸石在废水处理中的应用

发布时间:2020/08/25     浏览:

摘要:沸石是一种具有优异功能的非金属矿物材料,本文介绍了沸石的物理特征和处理废水的机理,并对近几年沸石在废水处理应用的研究进展进行了综合评述,对沸石在废水处理应用的前景进行了展望。

天然沸石是当今世界各国十分重视的新兴非金属矿产资源,它以优异的吸附、离子交换性能正越来越广泛地被应用在“三废”治理中。沸石是以硅铝酸盐为主的一类矿物的总称,架状铝硅酸盐矿物,含水和碱(或碱土金属)。沸石可分为天然沸石和合成沸石两大类。天然沸石是1756年瑞典矿物学家发现的。沸石作为一种具有优异功能的非金属矿物材料,在工业中有广泛的应用。其显著特点是孔隙度高、比表面积大,离子交换性、吸附性、催化性、耐酸性、耐热性、耐辐射性等性能优异,因此被广泛用于石油化工、环境保护、农牧业、建材工业、轻工业及高新尖端技术等领域。我国地域辽阔,沸石的种类颇多,目前已经发现的沸石有斜发沸石、丝光沸石、菱沸石、方沸石、片沸石、钙十字沸石、钙甲十字沸石、辉沸石、浊沸石、钠沸石等13个矿种或亚种。我国的沸石以斜发沸石为主,丝光沸石次之,多数分布在我国东部和中部地区。沸石是一种廉价的非金属矿。开发利用沸石处理废水,在我国有巨大的优势。

沸石在废水处理中的应用

1、沸石处理废水的机理

1.1吸附剂

沸石晶格内部构造开放性大,除了有稳定的四面体从角顶相互联结,形成架状硅铝氧骨干外,还有很多大小均一的孔穴和通道,孔穴通过开孔的通道彼此相通,使得沸石具有巨大的比表面积,据有关资料显示,可达400-800m2/g;且阳离子晶格内的负电与平衡阳离子的正电电荷中心在空间上是不重叠的,分子间具有巨大的静电吸引力。综上所述,比表面积大,静电吸引力强,沸石具有良好的吸附性能。当沸石晶格内的孔穴和通道出现空缺时,沸石对气体或液体表现出较强吸附性能,尤其是对SO2、NH3等及某些有机蒸汽等敏感性气体吸附更为有效。与其它吸附剂相比,沸石具有选择性高、吸附量大、吸附效率高的特点。

1.2 离子交换剂

沸石空间基本的结构单位是硅氧(SiO4)四面体和铝氧(AlO4)四面体。其中1个氧原子的价电子没有得到中和,使得整个铝氧四面体带1个负电荷,为了保持电中性,铝氧四面体附近需要有1个带正电荷的金属阳离子(M+)来抵消它所带的负电荷(通常是碱金属或碱土金属离子)。但是沸石中的Na+、K+等金属阳离子与硅铝氧骨干结合得相当弱,进入沸石表面的阳离子则与沸石晶格中的阳离子如Na+、K+等交换,交换后沸石结构不被破坏,还可以再生。

1.3 催化剂

由于沸石具有很大的吸附表面,可以容纳相当多数量的吸附物质,因而能促使化学反应在其表面上进行,所以沸石又作为有效的催化剂和催化载体。另外沸石有铝硅酸盐格架电荷,以及平衡离子的电荷,具有局部的高电场和格架上产生酸性位置,因而可以用于加速碳离子型的反应。此外,它还能以交换具有催化活性的金属(如Pt、Pa等),使其能得到很大程度的分散,保持高的活性同时又可减少贵金属的用量。

2沸石在水处理中的应用研究

2.1去除水中氨氮

氨氮存在于许多工业废水中,氨氮排入水体,特别是流动较缓慢的湖泊、海湾,容易引起水中藻亡。氨氮还使给水消毒和工业循环水杀菌处理过程加大了用氯量;对某些金属,特别是对钢具有腐蚀性;当污水回用时,再生水中氨氮可以促进输水管道和用水设备中微生物的繁殖,形成生物垢,堵塞管道和用水设备,并影响换热效率。利用沸石去除生活污水以及工业废水中的氨氮,国内外已有较多的研究。沸石构架中有一定的空腔和孔道,决定其具有吸附、离子交换作用。又因为天然沸石是一种较廉价的矿物质,成本较其它吸附剂低,再生成本低,再生液经吹脱后可重复利用,由此表明沸石是一种较为理想的脱氮吸附剂。

2.2去除废水中的重金属离子

镉、汞、铅、锌等重金属离子是造成环境污染、对人体较为有害的物质,消除方法有活性炭吸附法、溶剂萃取法和离子交换法等。实验表明,用沸石特别是用NaOH,HCl和NaCl处理过的沸石处理上述重金属离子效果较好,被沸石吸附交换的重金属离子,还可浓缩回收,沸石经处理也可再生使用。

2.3去除水中的氟

氟是电负性较高的元素,是相当活泼的非金属元素,当氟离子大量存在时,有毒性作用。饮用水中氟的含量过高,容易使儿童患氟斑病和氟骨症。经研究用盐酸、硫酸铝和高温方法活化天然沸石的工艺条件。结果表明用活化天然沸石处理后的含氟饮用水,基本可达到国家饮用水标准。

2.4去除水中有机物

随着现代工业特别是有机化工、精细化工以及高分子工业的迅速发展,水中的有机污染物呈多祥化、复杂化的特点。对于多教有机污染物的去除,在目前使用较广的还是生化法,尤其是吸附法。沸石对有机污染物的吸附能力主要取决于有机物分子的极性和大小,极性分子较非极性分子易被吸附,随着分子直径的增加,被吸附进入空穴的机会就逐渐减少。沸石去除水中溶解状分子物质时,吸附起主要作用,而去除水中离子状污染物时离子交换和吸附两种行为共同作用的结果,以离子交换为主。

2.5去除废水中的放射性物质

放射性元素Cs+,Sr2+,是核裂变产品中的主要成分,通常被排放到废水中,沸石的热稳定性和抗辐射性使其具有除Cs+,Sr2+的优越性,在原子能工业中,当放射性废液中含有这类物质时,需要将它们储存到蜕变为稳定状态后才能排除。天然沸石对铯和锶有很强的交换去除能力,不受辐射的影响。而且交换了放射性离子的沸石,将其熔化后可使放射性离子永久固定在晶格内,防止其扩散污染。

3、沸石处理废水的应用前景

沸石在水处理领域的应用,国内外学者们已经做了比较广泛深入的研究,沸石是一种天然矿物,具有成本低、处理效果好的特点,在水污染处理中应用可以降低处理的成本;应用沸石的处理设备比较简单,沸石用于去除氨氮、有机污染物质、金属元素、放射性物质、杀菌等都有明显的效果,可以用于处理废水,是一种有发展前途的水处理材料。但是,我国在环保方面对沸石的开发利用与国外发达国家相比起步晚、水平低、速度慢。

目前,我国对沸石矿产资源的开发仍处于初级阶段,应加强沸石在污水处理材料方面的研究,力求开发新产品,并尽快将其转化为生产力,以适应社会发展的需要,使廉价的沸石在环保方面发挥更大作用。另外,由于沸石在水处理中的研究与应用越来越多,所以应重视吸附饱和沸石的处置问题,避免造成二次污染。

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