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常见问题

沸石改性及其在废水处理中的应用

时间:2021/07/06点击:

摘要:综述了天然沸石的改性方法及其在废水处理中的应用,指出研究中存在的问题,并展望了改性沸石在水处理领域的应用前景。

沸石是具有四面体骨架结构的硅铝酸盐晶体,有较大的表面积,因而有较高的离子交换和吸附能力。但是,天然沸石表面硅氧结构具有很强的亲水性,且结构外部阳离子易水解,导致天然沸石吸附有机物的性能很差,并且硅铝结构本身带负电荷,故天然沸石难以去除水中的阴离子污染物。因此,对天然沸石进行改性,提高其对有机物和阴离子的吸附能力,能够使天然沸石更为广泛地应用于水处理领域。

1 沸石改性及应用

天然沸石经过改性,可以明显提高其孔隙率及表面活性,提高吸附性能、离子交换性能及交换量等,从而提高其使用价值。改性沸石包括范围很广,从经简单的离子交换处理直到结构完全崩塌而得到的产品都属改性沸石范围。

沸石改性技术有两种类型:一类是对沸石骨架元素的改性,另一类是对非骨架元素的改性。对骨架元素的改性包括酸碱处理改性等,对非骨架元素的改性包括离子交换改性、沸石内配位化学、表面活性剂改性等。本文只对常用改性方法做简单介绍。

1.1 酸碱处理改性

酸改性,即用无机酸或有机酸处理分子筛,使其骨架脱铝,可使用的酸有盐酸、硫酸、硝酸、甲酸、乙酸、乙二胺四乙酸等。根据分子筛耐酸性的差异,采用不同浓度的酸进行骨架脱铝。沸石经酸处理改性后,可部分脱除分子筛骨架铝以及去除孔道中的堆积物种,增加分子筛硅铝比及比表面积,大幅度提高其疏水性,可提高分子筛的吸附性能。与沸石的酸处理脱铝一样,沸石的碱处理也是一种沸石改性的方法,但与酸处理不同的是,沸石的碱溶液处理可以选择性地脱除沸石中的硅,降低沸石的硅铝比,改变与沸石硅铝比相关的性能。

有人研究了13X沸石分子筛对饮用水中低浓度NH3-N的吸附性能,包括影响吸附的主要因素、沸石对NH3-N的吸附效果、沸石的再生效果及沸石对NH3-N的吸附机理。实验表明,用NaOH处理的沸石比未处理的沸石对NH3-N的吸附效果要好。在pH值为6.5~7.5,吸附时间为20min吸附温度为20℃~80℃条件下,沸石对NH3-N的吸附率接近100%,吸附量可达16.32mg/g。

1.2 离子交换

广义地讲,离子交换包括沸石骨架内的阳离子的交换和骨架外的补偿阳离子的交换。骨架内阳离子的交换既可以在合成的过程中也可以在合成后进行,前者通过沸石合成的一般方法就可以实现,而后者则要通过特殊的取代反应。通常所说的离子交换是指后者,即补偿阳离子的交换。沸石骨架外的补偿离子一般是质子和碱金属或碱土金属离子。它们很容易在金属盐的水溶液中被离子交换制成各种价态的其他金属离子型沸石。通过用不同大小的阳离子交换天然沸石内原有的阳离子,改变阳离子的数目或在天然沸石的孔口附近交换上新的阳离子等方法可以改变天然沸石孔道的尺寸。被交换进沸石的离子也受到沸石内强局部静电场环境的影响,使离子的化学行为发生改变。沸石和阳离子之间的相互影响和相互作用将赋予沸石新的吸附性能。

1.3 沸石内配位化学

沸石分子筛是一类具有不同形状分子级孔道和孔洞,性能良好的无机材料,许多人企图在其上固载化一些已知的均相催化剂,于是有关这方面的研究工作受到越来越多的注意,逐渐形成了一种新的沸石改性技术。

沸石可以被看成是一种“配体”,把它的配位场施加在过渡金属离子上,且每一种沸石可以被认为是一种不同的配体,其性质随孔道内阳离子的数量和位置而变化。沸石也可看成是一种固体溶剂,一些配合物的分子便能被相对稳定地镶嵌在沸石分子筛孔道内。

1.4 沸石表面活性剂改性

有人等发现,用表面活性剂改性的沸石,特别是用阳离子表面活性剂改性的沸石,在保持原来去除重金属离子、铵离子和其他无机物能力的同时,还可有效地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。常用的阳离子表面活性剂一般为长链烷基胺的盐和季铵盐。阳离子表面活性剂因亲水基帝正电荷,表现出一些特殊的性能,即界面吸附的特殊性。在水溶液中易与带负电荷的固体形成强烈的相互作用,形成较紧密的单分子吸附层。当阳离子表面活性剂的浓度较大时,可进一步形成第二层分子吸附。用表面活性剂改性的沸石具有对多种不同类型离子的处理能力,使改性沸石处理成分复杂的废水成为可能。

2 沸石的再生方法

改性沸石常用的再生方法:一是酸碱洗脱。吸附了废水中重金属离子的改性沸石,可用90℃的 饱和氯化钠溶液解吸已吸附重金属离子的分子筛,使改性沸石再生;也可用盐酸浓缩回收其吸附的重金属离子,再用碱液再生改性沸石。吸附了废水中的含氧酸阴离子的改性沸石可用酸或盐溶液洗脱再生。二是高温培烧。三是蒸汽吹脱。处理废水中有机物的改性沸石,可通过灼烧,再用情性气体的反向吹扫等方式来实现再生。

3 研究中存在的问题

目前,国内外有关改性沸石处理废水的研究绝大多数还仅局限于实验室规模,且大多是用来处理水溶液,对于实际废水中污染物的吸附处理研究较少。而实际污染度水来源不同,成分复杂,需根据具体情况确定合理的改性方法和再生方法,这将是改性沸石研究需要解决的大问题。

4 结语

沸石是一种具有优良的离子交换、催化和吸附性能的孔道结构材料,天然、无毒、无味,且对环境没有影响,在污水处理中有着巨大的应用潜力。首先,沸石制备方法简单,经济实用;其次,沸石具有综合治理废水水源的功能;第三,沸石容易再生;第四,沸石无毒、无害耐磨耐蚀,廉价易得,且有越用越好的趋势。由于沸石对氨氨特殊的去除效果及吸附有机物分子的能力,可用于微污染原水的处理。我国应加强沸石在污水处理方面的应用研究,使其在环保行业发挥更大的作用,达到以废治废的目的。