碱改性对沸石交换性能的影响

2019-05-05

应用能源技术 2019年4期

(哈尔滨商业大学食品工程学院环境工程系，哈尔滨 150076)

0 引言

沸石(Zeolite)，是沸石族矿物的总称，是一种含水的碱金属或碱土金属的铝硅酸矿物[1]。对比传统活性法生物脱氮工艺，沸石去除氨氮具有效果好，节约曝气能耗等优点[2-3]。大量研究表明，采用无机碱等对沸石进行改性预处理可以在一定程度上改善其交换性能[4-5]。一般来说，对沸石进行改性处理主要有两个目的：一是去除沸石表面和微孔道内的有机或无机杂质，提高单位重量沸石的交换能力，并加快交换速率；二是对沸石内部的阳离子进行重整，改善离子交换性能，降低水处理的能耗[6-8]。文中采用天然沸石进行改性，考察NaOH、KOH和饱和Ca(OH)2三种不同的碱液对沸石进行改性，考察温度、加热时间、改性操作次数等因素对沸石碱改性后交换性能的影响。

1 实验材料与方法

1.1 实验方法

称取一定量的沸石样品放入一定体积1 mol/L的NaOH、KOH和饱和Ca(OH)2碱溶液，置于恒温电炉上加热，倾去浑浊液并用蒸馏水洗涤两次，并置于恒温干燥箱中烘干，冷却，然后再将沸石加入到等体积等浓度预热的溶液中，反复操作数次后置于烘箱干燥备用。

沸石的吸附容量测定方法如下：

称取30 g相同粒径沸石放入500 mL锥形瓶中，加入所配制的10 g/LNH3-N(C0)的NH4Cl溶液200 mL，置恒温水浴振荡器中于25 ℃下振荡，使氨氮在液相和沸石固相间分配达到平衡，72h后取出样品静置15 min，取上清液测定NH3-N平衡浓度(Ce)，计算沸石对NH3-N的吸附容量(mg/g)，其计算公式如下：

Q= (C0- Ce)×V/m

(1)

式中,C0为NH4Cl溶液起始浓度，mg/L；Ce为吸附后NH4Cl溶液平衡浓度，mg/L；V为溶液体积，L；m为沸石重量，g。

1.2 实验水质

实验水质，见表1。

表1实验用水水质范围

1.3 分析项目与方法

实验分析项目与方法见表2。

表2分析项目及方法

2 实验结果与分析

2.1 温度的影响

温度是影响改性效果的重要因素之一，不同操作温度对沸石改性效果的影响如图1所示。每次加热时间为1h，重复加热操作3次。

从图1中可以看出，Ca(OH)2的随着温度的升高，沸石交换容量提升较快，改性效果好。而KOH和NaOH随着温度的升高，提升的效果不明显。当改性温度达到100 ℃时候，对比改性前的沸石，NaOH改性沸石和KOH改性沸石分别增加了35%和39 %，Ca(OH)2增加60%。从图1中可看出，加热的温度选择在80～100 ℃较为合适。

图1温度对沸石碱改性效果的影响

2.2 加热时间的影响

加热时间是影响沸石改性效果的另一个重要因素，适当延长加热时间可提高改性效果。但是如果加热时间过长，沸石的骨架结构受到破坏，交换容量会降低。加热温度设定为90 ℃，重复加热操作3次。考察了不同加热时间时沸石的改性效果，结果如图2所示。

图2加热时间对沸石碱改性效果的影响

从图2中可以看出，采用三种碱溶液改性均有不同程度的改性效果，其中Ca(OH)2的改性效果最好，KOH次之，NaOH提升的效果最差。同时改性效果随加热时间的延长，改性后沸石的交换容量相应上升。加热时间为0～60 min时，沸石交换容量的增幅较大，当加热时间90 min以后，沸石交换容量上升幅度比较平缓，因此，从图2中可看出，加热时间选择60～90 min较为合适。

2.3 改性操作次数的影响

每次改性操作使用的改性液均为新配制的，在一定程度上避免了沸石中被交换出的阳离子重新返回沸石的情况。改性操作次数的影响，如图3所示。

图3改性操作次数对沸石碱改性效果的影响

从图3中可以看出，适当增加改性的操作次数(1～8次)，可以提高改性沸石的交换容量，有利于沸石的改性，但如果改性次数增加过多(8～10次)，会导致沸石的结构部分损坏，从而不利于沸石的交换容量的提升。同时图3中随改性操作次数的增大，交换容量迅速上升，但Ca(OH)2改性超过8次后，沸石交换容量反而迅速降低。NaOH和KOH碱改性操作超过8次后，沸石交换容量均有略微下降。因此最佳的改性操作次数为8次。