沸石研究进展

沸石在环境中的吸附特性的研究进展张艳艳南京工业大学环境学院环境工程摘要:沸石是一种优良的吸附剂，具有成本低、使用方便、安全且不会造成二次污染等特点。

其特性对于控制环境污染极为重要，尤其适用于水处理，净化空气，脱水方面，同时还可作滤料。

沸石的应用前景广泛，应继续加大对各种天然沸石性能、结构和其改性工艺的研究，充分发挥其应用性能、拓宽其应用范围，使其在环境保护和污染处理中得到更好的应用。

关键词：沸石吸附作水处理Study on investigation processes of zeolite adsorption effectin the environmentZhang YanyanNanjing University of Technology Collgege of Environmental SciencesAbstrac t：Zeolite is a superior adsorbent,which is cheap, convenient, safe and without any secondary pollution. Its characteristics are quite useful for the environmental pollution-control, particularly suitable for water treatment, air purification, dehydration aspect, and it can also be a filter. The application prospects of zeolite is quite extensive,the attention should be focused on the further study of all kinds of natural zeolites and their character, structure and modification to widen their application in water treatment.Key words: zeolite; adsorption ;water treatment1 引言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，因此被广泛用于石面积大，离子交油化工、环境保护、农牧业、建材工业、轻工业及高新尖端技术等领域。

沸石可用做催化剂、干燥剂、水质软化剂、吸附剂、离子交换剂等，在工业上常作分子筛，用来净化气体、石油及废水处理，海水提钾、淡化、硬水软化等[1]。

目前国际上对天然沸石的开发、研究和生产相当活跃。

本文对近两年来沸石在水处理应用的研究进展进行了综合评述，介绍了天然和改性沸石在去除水中氨氮、有机物质、重金属离子、放射性物质等方面的应用。

沸石一般能够再生使用3-5年。

本文主要研究的是沸石的吸附性。

2 沸石的由来、结构及其特性2.1 沸石的由来1765年瑞典矿物学家C ronstedt在冰岛玄武岩杏仁状空隙内，首先发现一种白色透明的矿物，因其加热时出现发泡沸腾现象，便以希腊文命名为“zeolite”，意为“沸腾的石头”[2]。

关于沸石的定义存在着一个演变的过程，直至1997年，国际矿物学协会（IMA）新矿物及矿物命名委员会（CNMMN）沸石专业委员会(IZA)采纳了由D.S.Coombs等18名成员署名发表的有关沸石类矿物命名的建议，将沸石矿物定义为一类结晶物质，其结构以四面体连接形成的格架为特征，四面体由4个氧原子围绕一个阳离子组成[3]2.2 沸石的结构沸石最基本的结构单元是SiO4和AlO4四面体，相邻的四面体之间以氧桥键的方式共用氧原子。

其中Si或Al位于四面体的中心，分别与氧键合，氧位于四面体各顶点。

这种结合方式使其在三维方向上形成一个具有规整结构的无机聚合体。

其中AlO4带一个负电荷，那么必然就有一个相反的电荷存在，以中和架电荷。

因此沸石中存在很多骨架外阳离子，这实际上就是沸石能够作为催化剂的最本质的原因。

同时，其骨架也搭起了一个内部空旷、充满孔隙与相互联通的孔道与笼的结构，提供催化反应的场所以及传输的通道。

2.3 沸石的吸附特性沸石晶体的大量孔穴和通道使沸石具有很大的比表面积，每克沸石可达400～1000m ，其中丝光沸石一般为440m 。

孔穴体积可占沸石全部体积的50％，加上特殊的分子结构而形成的较大的静电引力使拂石具有相当大的应力场。

又因为晶体内部各种构造形式的笼内充填着阳离子，并且部分硅(铝)氧四面体骨架氧也有负电荷，在这些离子周围形成强大的电场，从而还有强大的静电引力。

晶体内外表面过剩自由能所决定的色散力和这种静电引力的存在，使得沸石有优良的吸附性能。

3 应用3.1 沸石在水处理中的应用研究3.1.1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，甚至会导致湖泊的干涸灭亡[4]。

氨氮还使给水消毒和工业循环水杀菌处理过程增大了用氯量；对某些金属，特别是对铜具有腐蚀性；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[5]。

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。

吴连成，冯灵芝[6]等人在静态试验条件下，研究了沸石对高含氨氮味精废水的处理效果，考察了沸石粒径、沸石用量及再生方法的不同对吸附作用的影响。

试验表明：粒径越小，吸附能力越强；5 g粒径270～833μm的沸石在振荡2 h 后，废水中氨氮去除率达67.1%。

通过动态吸附试验，对比沸石再生前后的穿透曲线，发现沸石再生后的吸附能力与再生前相差无几，有效寿命达151 h，比再生前寿命缩短仅17 h。

则其有效寿命长并可重复再生使用。

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。

3.1.2 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样化、复杂化的特点[7]。

对于多数有机污染物的去除，在目前使用最广的还是生化法，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，随着分子直径的增大，被吸附进入空穴的机会就逐渐减少。

印染废水是我国目前主要的有害、难处理工业废水之一，主要污染物有染料、浆料、助剂、纤维杂质、油剂、酸碱以及无机盐等。

其特点是废水量大、水质复杂、有机物浓度高、难生物降解、色度深、水质变化快而无规律等特点，其中以染料的污染最为严重[8]。

在采用生物曝气滤池(BAF)工艺，以天然沸石为滤料处理印染废水，氨氮的去除率、COD的去除率、SS的去除率，总氮的去除率及色度的去除率都能达到较高的值。

3.1.3 去除水中重金属离子重金属废水主要来自矿山坑道排水、废石场淋滤水、选矿尾矿排水、有色金属冶炼厂除尘排水、有色金属加工厂酸洗废水、电镀厂镀件洗涤水、钢铁酸洗排水及电解、农药、医药、油漆、染料等工业所排放的废水[9]。

由于重金属不能被生物降解为无害物，因而在水体中富集，造成水体污染。

沸石已被广泛应用于消除重金属离子，效果较好。

特别是用碱处理过的沸石，其吸附量可以得到大大提高。

3.1.4 去除水中的氟氟是电负性最高的元素，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。

李水芳，李梦[10]等对含氟量为1836mg/L解工序碱性废水用沸石进行除氟试验。

对未改性沸石，试验了沸石用量、废水初始浓度和振荡吸附时间对氟去除率的影响，发现未改性沸石氟去除率不高。

用AlCl3溶液对其改性后，去除率明显升高，可达95％处理后废水残氟量可降到10mg/L以下，达到国家污水综合排放标准中的一级标准。

3.1.5 去除水中的磷限制藻类生产量的物质是磷、氮、碳，但作为藻类增殖的限制性物质，磷是其中最主要的限制性因素[11]。

磷对受纳水体的危害表现在以下几个方面:造成水体的富营养化；影响水源水质，增加给水处理成本；对人和生物产生毒性[12]。

在我国，由于水资源短缺和水污染问题的日趋严重，尤其是众多内陆湖泊的富营养化问题已经到了严重危害的程度，研究新型的除磷工艺显得非常重要。

3.2脱水沸石能够吸附和解吸附水分子而不影响其晶体结构，最简单的应用就是脱水。

沸石尤其适用于在低温度条件下控制水分含量。

水是极性很强的分子，沸石对水有很大的亲合力，与其他干燥剂相比有其吸水率高的突出特点，可在较广的范围内使用。

其吸水量是硅胶或氧化铝的5-6倍。

并且高温下仍有高的吸水量。

沸石在高速气流中仍有较高的吸水量。

[13] 沸石脱水操作相对简单，可以直接将沸石放入被脱溶液中，或直接让溶液、气体流动通过沸石吸附塔。

沸石吸附量较大，一般吸附量在22% 。

沸石极易吸附极性水分子，因水分子直径小于沸石孔径，在水分子与沸石吸附后可达静电平衡（沸石不吸附直径大于其孔径的子），整个吸附过程属于物理反应，不会与被脱物料产生任何化学反应。

沸石吸水后在常温下不会将被吸的水释放出来。

沸石再生相对简单，给沸石鼓300℃以上的氮气（非易燃物料可直接鼓入空气），一小时后沸石可再次使用。

沸石的等温吸附线属一种极端的非线性关系，与其他吸附材料比，能提高制冷效率50％以上。

3.3沸石对空气中的甲醛的吸附沸石吸附纯甲醛气体质量比为12-16%，具有成本低、使用方便、安全且不会造成二次污染等特点。

有实验表明：当室内甲醛浓度在1-10mg/m3时，此吸收剂在72小时内可使甲醛浓度降低到国标以下（≤0.08 mg/m3）；在一个月累计浓度500 mg/m3条件下，此吸收剂仍可以使甲醛浓度保持在国标以下[14]。

沸石吸附甲醛的性能，其浓度远远高于国家规定的室内空气甲醛浓度标准（0.08mg/m3），实验结果有效的验证了沸石吸附空气中甲醛的可行性和效果。

在不同甲醛浓度下，沸石对空气中的甲醛分子有明显的吸附作用，有效的降低了空气中的甲醛浓度，能在短期内使空气达到国家标准。

明沸石可以多次重复使用后，对甲醛依然有吸附作用。

10g沸石可吸附大约1g左右的甲醛，表明，沸石除吸附甲醛分子外还吸附了其他空气分子，另外，由于吸附作用完全靠分子扩散作用进行的，所以可能上层饱和的沸石影响了下层未饱和的沸石对甲醛的吸附，同时在沸石的吸附容量达饱和前，沸石对空气中的甲醛的吸附速率变化不大。

3.4 沸石滤料的使用与分析用沸石作为BAF 滤料可以有效地去除COD、氨氮和浊度、试验条件的最佳水力负荷为2.2m/h (水力停留时间为1.4h)、此时对COD、氨氮和浊度的去除率分别为73.9%、88.4%和96.2%、相应的出水平均浓度分别为43.4mg/L、3.5mg/L和3.7NTU、可以达到国家环保总局、天津大学提出的冷却回用水水质建议值（III）中相关指标的要求。