沸石在水处理中的应用研究

2020-10-09张洪源天津职业大学天津300410

化工管理 2020年26期

张洪源(天津职业大学，天津 300410)

0 引言

沸石作为一种矿石，其最早是由瑞典科学家Axel Fredrik所发现的，沸石内部含有的硅铝酸盐、碱类物质在一定条件的高温下，将产生沸腾现象，且沸石本身具有的分离性、吸附性、导电性等特点，令其在化工领域、工业领域中具有较高的应用价值。经过诸多学者的研究及工业企业的实践，沸石在污水处理中具有较大的应用价值，特别是在近年来水污染日益严重的情况下，利用沸石替代传统的活性炭吸附工艺，可有效节约污水处理成本[1]。此外，沸石可进行循环利用，通过分子结构的交换特性，可有效实现沸石的再生，其对于现阶段污水处理来讲，不仅可对水污染起到防控作用，在一定程度上，还可为水污染治理技术提供新的发展方向。

1 沸石结构特性解析

沸石作为以硅铝酸盐为主的矿物质，其微观结构为如图1所示的四面体结构，其中四个氧原子围绕在硅原子周围，形成四面体构型，硅原子处于四个氧原子中央与四个氧原子以化学键相连。

图1 沸石的结构

沸石作为孔状、中空簇架状结构的多孔性材料，其内部含有碱类化合物、硅酸盐类化合物等，这类物质形成一种基于空间状的孔位形态，保证分子结构的传输通道是以多维形式存在的。天然沸石所具备的结构特性，其表面积比值较大，孔径之间的距离排列也较为均匀，在作用于水体中时，孔位间的均匀分布模式将产生超孔效应，且分子结构之间呈现出电荷耦合效应，因此沸石显示出一定的静电效应，令沸石外部产生一个电磁场。当沸石内部的分子结构空隙被外界水体物质填满时，则其产生的阴离子将自动与阳离子相抵消，一旦外界物质的侵袭与沸石物质产生化学反应时，且此类反应载体是建立在大孔径的分子结构上来实现的，在一定程度上，将加快反应效率，且反应生成物充满分子结构空间时，将自动向外溢出。此类反应物的溢出是不会破坏沸石内的晶体结构，进而可以稳定的实现催化作用、吸附效用等，令沸石物质在反应中可充当载体的作用。

2 沸石在水处理中的应用

2.1 有机污染物的处理

水体污染中有机物是常见的污染形式。沸石在对有机污染物进行处理时，主要是通过自身的吸附功能，对含有极性有机化合物分子进行吸收，当然，此类吸附效率是由极性分子的大小所决定的，由于沸石本身的分子结构属于定性化，在吸收过程中只能对小于分子结构的极性有机分子进行吸收，当极性有机物分子粒径越大，则越不容易被吸收。但有机物污染物中含有极性基团的分子时，则可在沸石表面发生强烈的吸附反应，例如CH2Cl2、CHCl3、C2H3Cl3等，均可将沸石表面作为反应载体，以提高实际吸附效率。例如，在对天然水中的氯化物成分进行去除时，通过将具有芳香族结构的分子进行吸收，可有效起到水体过滤的作用。通过不断的实践认证，我国科学家将天然沸石应用到呈现出有色有机物的自然水中，然后通过控制水体内部的聚合物，以达到苯胺净化的效用。

2.2 氨氮污染物的处理

水体中氨氮物质的含量超出基准值时，则将产生富营养化的现象，进而为水体中藻类物质的生长提供有利环境，当藻类物质大量聚集时，将产生严重的水华现象，吸取水体中的营养，令其它植物、生物所处的生态环境遭到破坏。此外，水体中由氨氮含量超标还将催发出各类水体微生物，对整个供水管道造成一定的侵蚀影响。通过将沸石作为水体清理载体，依托于分子交换功能，可有效去除水体中具有阳离子属性的氨物质[2]，同时也可为沸石提供一定的再生功能。沸石在进行水体净化时，由于内部阳离子粒径存在一定的差异性，导致沸石在进行交换时存在一定的顺位特性。通过理论与实践的不断验证，利用天然沸石对水体进行去污处理时，其中效果最为显著的则是斜发沸石，经数据验证，利用斜发沸石在水体中进行等离子交换，对氨氮物质的去除率高达94%。但斜发沸石在实际应用过程中，受其它类制约因素比较大，例如水体酸碱度、沸石体积大小、水体温度值、氨氮含量比值等，为此，要想保证整个去除效率可达到最大值，则必须对整个反应环境进行分析与测定，以分析出沸石处理的最佳效果。

2.3 降氟处理

高氟水是指水体中氟元素含量超出1.0mg/L。氟属于一种非金属元素，其化学性质较为活泼，其并不能以单体元素的形式稳定的存在于自然环境中，而是通过和其它元素形成化合物，来降低氟元素的化学活泼性。水体中所含氟主要是氟化合物，氟以离子状态存在。当水体中的氟元素含量超标时，人们如果长期饮用，将产生一种慢性中毒的现象，例如以氟斑牙、氟骨症等。在对含氟水体进行净化处理时，传统的净化技术在具体落实中存在局限性问题，难以形成范围性的推广。沸石在实际应用过程中，由于本身所具有的吸附氟离子能力较弱，其仅是通过石材内部含有的正价铝离子对氟离子进行吸附，为进一步增强沸石的活性，对天然沸石进行活化处理，以提高沸石对氟离子的吸附能力[3]，保证在同等条件下，沸石依靠交换能力所产生的吸附效果可得到进一步增强，并可通过解吸剂在沸石完成吸附水体中的氟离子后，可实现再生，保证活化沸石的重复利用。

2.4 重金属离子处理

沸石作为离子交换载体主要是由内部物理结构中的配位健之间的差异性所决定的，此特性令沸石具备阳离子的交换能力。沸石通过软化处理，可有效提高天然沸石的离子交换能力。由体积效应可知，当沸石结构的塑性与尺寸呈现出线性关系时，整个结构参数可以规定为因成分不同而导致内部结构的承载能力变大[4]。沸石中存在的正二价钙离子、镁离子等，将被盐水中的正价钠离子进行置换。在置换过程中，由于钠离子是小于沸石内部结构的孔隙，此时在经过孔位时，钠离子传输过程中所受到的空间阻力较小，即代表钠离子更容易在此状态下进入到沸石结构内部，并随着沸石内部结构进行有序性传输，这就令沸石具备较高的离子交换能力。我国科学家通过软化实验，利用沸石对水体进行软化处理，经过数据分析，软化后的水体已经达到工业用水需求。此外，通过沸石还可有效对海水进行重金属处理，通过对沸石进行碱化处理，可最大限度提高沸石对重金属离子的吸附能力，其对于现阶段海水重金属污染来讲，可有效防止水体污染的蔓延，进而对生态环境起到一定的保护作用。

2.5 放射性物质处理

放射性物质在进行处理时，主要是对水体中的Cs、Sr等离子进行交换，在交换时沸石所吸附的Cs可以不进行清除处理，而可以直接将具有Cs离子的沸石当成是放射源进行利用，以此来提高利用效率。如需将放射性物质进行处理时，需对沸石进行高温熔化，令具有放射性的离子固定在沸石结构中，但从放射性元素的溶解效率来看，大约50年才可溶解0.8%～1.2%，整个溶解过程相对较慢。

3 沸石在水处理中的应用前景展望

一定体积下的沸石处理能力为一定值，当其在水处理过程中的吸附、交换呈现出饱和状态时，则沸石将无法继续进行吸附反应，此时，则需对沸石进行再生化处理，对内部结构存在的吸附离子、交换离子等进行处理，令其重新具备相应的吸附能力。目前，针对饱和沸石的再生机制，可采用化学、物理两种方法来进行操作，如常见的NaCl、Na(OH)、Ca(OH)2等试剂可作为再生剂对沸石进行活化。但在实际还原过程中，应针对沸石所吸附的杂质进行特性分析，保证对沸石结构内的离子可最大限度的消除。例如，在对有机物较多的物质进行清除时，可先将饱和状态的沸石进行高温加热处理(550～650℃)，此状态下热沸石所吸附的有机杂质更容易去除干净；在对含有重金属的饱和沸石进行处理时，可利用含有一定酸性的氯化钠溶液(5%～8%)，消除饱和沸石中的重金属，进而达到再次使用的目的。

从技术发展角度来看，沸石作为新型水处理材料，其实际应用正处于初级阶段，部分理论与实践存在相对滞后性的问题[5]，为此，利用沸石材料作为净水处理载体时可从下列方向为着力点。

第一，遵循经济性原则，找出合理的活化方法，确保失效状态下的沸石进行再生处理时，能有效降低成本，同时保证处理后的效果，进而为沸石水处理工艺的发展提供基础保障。

第二，将沸石处理工艺与催化、氧化类处理工艺相结合，从而加大污水处理力度。通过将具有金属特性的催化剂对沸石的化学特性进行改性，令两种处理形式可同时发挥出应有的效用，便可更加高效的保证沸石水处理时，两个不同的工艺可最大限度的发挥出催化优势，提高沸石水处理质量。

第三，将活性炭引入沸石处理工艺中，通过吸附性的共生，对水源进行更高效率的处理。但考虑到活性炭成本较高，在实际结合时，需针对水体处理等级正确界定出两种工艺的组合形式，以提高经济产出比。