沸石+活性炭組合工藝的應(yīng)用研究

高 巍

（山西輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西太原 030013）

沸石+活性炭組合工藝的應(yīng)用研究

高 巍

（山西輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西太原 030013）

沸石+活性炭組合工藝包含分別投加兩種物質(zhì)和制備成沸石/活性炭復(fù)合材料兩種形式，但均可以有效地發(fā)揮沸石和活性炭的各自優(yōu)勢，同時(shí)去除廢水的濁度、色度、氨氮及有機(jī)物，還被用于氣體凈化，分離等工藝中。

沸石+活性炭組合工藝；去除廢水；氣體凈化；分離

1 組合工藝物理特征及化學(xué)性能

沸石分子篩是一類分子（原子）水平上的完美無機(jī)晶體材料，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)骨架狀的含有硅酸鹽晶體且多孔的物質(zhì)總稱，由于其結(jié)構(gòu)及性能原因，人們又將其稱作晶體海綿。從形成途徑上看又可將其分為天然沸石及人工合成沸石兩種，可用化學(xué)通式MxDy[Al（x+2y）Si（x+2y）O2n]mH2O表示。式中M表示堿金屬或某些一價(jià)陽離子，D為堿土金屬或某些二價(jià)陽離子，就特性來看M、D均為可交換性陽離子。從結(jié)構(gòu)上看，沸石具有空曠結(jié)構(gòu)和巨大的表面積（包括內(nèi)表面和外表面），表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附性、離子交換性、催化和耐酸耐熱等性能，已經(jīng)被廣泛用于吸附劑、離子交換劑、催化劑和微反應(yīng)器，還可用于氣體的干燥和分離等方面。

活性炭屬多孔物質(zhì)，根據(jù)孔徑可將其孔結(jié)構(gòu)分為大孔、中孔和微孔三種，多孔結(jié)構(gòu)決定其具有一定吸附性，可用作吸附材料，工業(yè)上被用作生產(chǎn)吸附劑常用材料之一。活性炭結(jié)構(gòu)在流體中可對其中某種或某幾種物質(zhì)有特定吸附作用，從而對流體有一定凈化作用。從微觀上看，活性炭吸附其他物質(zhì)主要受其與其他物質(zhì)間分子間力，化學(xué)鍵力與靜電引力作用，這三種力決定了不同的吸附機(jī)理，主要表現(xiàn)為物理吸附、化學(xué)吸附及交換吸附。

基于上述沸石與活性炭分別是對極性與非極性物質(zhì)發(fā)揮不同的性能，國內(nèi)很多學(xué)者紛紛研究利用不同原料將沸石與活性炭兩種成分組合使用，更有些是將沸石與活性炭制備成一種復(fù)合材料，充分地發(fā)揮了沸石與活性炭的性能優(yōu)勢。沸石+活性炭組合工藝的第一種形式是依次將沸石，活性炭單一組分投加到廢水處理工藝中，研究沸石與活性炭對廢水中的污染物的脫除情況。沸石+活性炭組合工藝的第二種形式是將多種材料融合在一起制作出復(fù)合材料。作為一個(gè)整體，投加到廢水處理工藝，或者應(yīng)用到氣體分離工藝中。

2 組合工藝的應(yīng)用研究

2.1 組合工藝在處理廢水中的應(yīng)用研究

綜上所述，結(jié)合活性炭與沸石吸附原理不難看出，活性炭結(jié)構(gòu)特性決定其表面呈現(xiàn)疏水性，屬于非極性材料，在去除污水色度及部分污染物（苯酚，高COD）等方面具有良好效果，但在對具有極性短鏈有機(jī)物的前體物凈化過程中效果不佳，甚至無任何效果。與活性炭有些不同，沸石分子表面呈現(xiàn)親水性，在凈化過程中會對污染物進(jìn)行選擇性吸收，對重金屬離子有一定交換性，然而在實(shí)際去除污染物過程中僅僅可去除部分污染物，尤其是對水分子、氨分子、硫化氫分子、二氧化碳分子等具有一定親和力。此外，還可有效去除污水中的Cd2+、Ni2+、Pb2+等重金屬離子。

嚴(yán)子春等改善水質(zhì)，研究了沸石與活性炭（GAC）組合的新工藝。根據(jù)沸石與活性炭吸附性能互補(bǔ)性研制出沸石一活性炭組合工藝可充分發(fā)揮二者優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際使用中可有效去除污染物。展開研究發(fā)現(xiàn)：沸石在凈化有機(jī)物時(shí)其去除率不低于10%，對污水中濁度、氬氯、三氯甲烷等物質(zhì)去除率均不低于去除率分別在60%，95%和40%。研制出沸石一活性炭組合工藝在處理廢水時(shí)對其中苯酚、陰離子洗滌荊（LAS）和三氯甲烷的去除率不低于60%，89%，99%。

2008年Vinay Kumar Jha等以煤灰作為原材料制作出活性炭/沸石復(fù)合材料對含有Ni2+、Cu2+、Cd2+和Pb2+等金屬離子的廢水，根據(jù)活性炭/沸石復(fù)合材料對這些金屬離子吸附性能進(jìn)行排序，結(jié)果為Pb2+＞Cu2+＞Cd2+＞Ni2+，從吸附動力學(xué)角度進(jìn)行分析后符合準(zhǔn)二級動力學(xué)模型。2010年Jinghong Ma等以煤矸石作為原材料結(jié)合瀝青及白炭黑制作出活性炭/沸石復(fù)合材料，制備過程中通過添加不同比例瀝青對制作出活性炭/沸石復(fù)合材料性能影響。將制得的制活性炭/沸石復(fù)合材料分別通過XRD與氮吸附表征，通過分析材料總比表面積，孔徑等特征研究其性能。孫鴻等利用該活性炭/沸石復(fù)合材料正在廢水溶液中的應(yīng)用展開分析，結(jié)果表明活性炭/沸石復(fù)合材料結(jié)構(gòu)種具備中孔及微孔兩種結(jié)構(gòu)，融合了活性炭/沸石二者綜合性能，即具有親水、親油以及離子交換性等功能。利用親水、親油以及離子交換性可直接去除廢水中有機(jī)酚、氨氮及有害重金屬離子等，凈化效果明顯。Yang等以β型沸石及乙腈為原材料制作出活性炭/沸石復(fù)合材料作為儲氫材料，定量分析可知-196℃環(huán)境下具有8.33%的儲氫能力。

聞春博等在傳統(tǒng)污水生物處理系統(tǒng)中投加了微生物載體活性炭/沸石復(fù)合材料，形成了復(fù)合式生物反應(yīng)器。該系統(tǒng)可有效提升微生物濃度，并可承受較高有機(jī)負(fù)荷作用，而且投加材料中沸石對氨氮有較強(qiáng)的選擇性交換能力，活性炭對廢水中的濁度降解能力強(qiáng)。因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①系統(tǒng)運(yùn)行過程中微生物濃度提高，對有機(jī)物降解能力有所提升。②向廢水中添加粉末載體可對膨脹不良污泥起到高效抑制作用，從根本上提升污泥自身沉降及脫水性。③復(fù)合材料吸附作用不僅提高了系統(tǒng)對色度的去除效果，同時(shí)對系統(tǒng)的硝化-反硝化起到了促進(jìn)的作用，以及系統(tǒng)對重金屬等毒性物質(zhì)的抗沖擊能力增強(qiáng)。

鄧慧萍等對比了單一組分與沸石+活性炭組合工藝對廢水中有機(jī)物及氨氮吸附效果，研究結(jié)果為活性炭對吸附廢水中有機(jī)物能力更強(qiáng)，沸石對吸附廢水中氨氮能力更強(qiáng)，在活性炭輔助下沸石可穩(wěn)定消除廢水中有機(jī)物，由此可見沸石+活性炭組合工藝在去除廢水中有機(jī)物及氨氮過程有良好的互補(bǔ)作用。通過研究二者不同投放順序，結(jié)果表明：對有機(jī)物與氨氮的去除率對比來看，沸石+活性炭工藝優(yōu)于活性炭+沸石工藝。

2.2 組合工藝在凈化廢氣中的應(yīng)用研究

本世紀(jì)初，Lee JS.等以谷殼為原材料制作出活性炭/X型沸石復(fù)合材料利用谷殼制備的X型沸石/活性炭，并研究該復(fù)合材料對CO2吸附性能，設(shè)置溫度區(qū)間為0～80℃，在不同壓力環(huán)境下展開分析。研究發(fā)現(xiàn)在此復(fù)合材料對CO2吸附過程符合Toth模型。馬靜紅課題組利用煤矸石原料成功制備了LSX型沸石/活性炭復(fù)合材料，并且對對CO2、CH4和N2在復(fù)合材料上的吸附等溫線展開測試，并分別使用Fraudlich、Langmuir-Fraudlich、Toth吸附模型對該過程展開擬合處理，探究擬合參數(shù)及吸附熱。結(jié)果表明在相同外部環(huán)境下LSX型沸石/活性炭復(fù)合材料對三種氣體的吸附能力順序?yàn)镃O2＞CH4＞N2，且對以上幾種氣體吸附量與復(fù)合材料中活性炭含量成反比。由此可見，沸石對CO2、CH4、N2吸附能力高于活性炭；從另一方面而言，氣體在材料表面的吸附熱及吸附表面的多相性與復(fù)合材料中活性炭含量成反比，吸附質(zhì)與吸附劑表面相互作用力也隨著復(fù)合材料中活性炭含量上升而減弱。使用NH4Cl溶液對沸石/活性炭復(fù)合材料進(jìn)行處理使其改性，發(fā)現(xiàn)符合材料對氣體吸附量有所下降，材料表面堿性降低，并在吸附表面的多相性、吸附熱等方面均有一定程度降低。研究瀝青添加量對沸石/活性炭復(fù)合材料吸附性能影響，發(fā)現(xiàn)在298K、99.3kPa環(huán)境下沸石/活性炭復(fù)合材料對CO2/CH4、CO2/N2、CH4/N2吸附性不斷降低，相較于改性前，改性后吸附分離性能有所提升，即改性后石/活性炭復(fù)合材料具有較強(qiáng)氣體分離能力。

薛彩龍等在前人基礎(chǔ)上，以酚醛樹脂作為沉積劑，研究了碳沉積對13X型沸石/活性炭復(fù)合材料的孔結(jié)構(gòu)及CH4和N2吸附分離性能的影響。設(shè)置環(huán)境溫度為273K，在此田建霞研究XRD和低溫N2吸附表征，并繪制吸附等溫線，表明酚醛樹脂可以碳沉積的形式對復(fù)合材料中活性炭的微孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)隨著碳沉積次數(shù)增加微孔比表面積和微孔孔容降低，但其中0.45～0.55nm的微孔相對含量增加微孔分布更加均一。復(fù)合材料在298K下對CH4和N2的吸附等溫線測試結(jié)果表明，雖然碳沉積使得CH4和N2吸附容量降低，但CH4和N2分離比提高。

3 應(yīng)用中存在的問題

1）沸石+活性炭組合工藝，沸石表現(xiàn)出很好的抗沖擊負(fù)荷能力，活性炭變現(xiàn)對氨氮去除的穩(wěn)定性，但該工藝僅對微污染水體進(jìn)行了研究。

2）沸石/活性炭復(fù)合材料的制備，目前研究主要是利用煤矸石，粉煤灰等固體廢棄物原料，實(shí)現(xiàn)了廢物再利用的節(jié)約理念。又將制備的復(fù)合材料運(yùn)用到廢水處理中，實(shí)現(xiàn)了以廢制廢的環(huán)保理念。

3）兩種形式的組合工藝，在廢水處理中，與生物處理法結(jié)合使用，在技術(shù)與經(jīng)濟(jì)上都是可行的，還有待深入研究。在氣體分離中，對分離的氣體種類還需擴(kuò)大，分離度還有待提高。

[1] 馬東祝.沸石—活性炭處理微污染飲用水源水的試驗(yàn)研究[D].南京理工大學(xué)，2006.

Application of Combined Process of Zeolite and Activated Carbon

Gao Wei

The combined process of zeolite and activated carbon consists of adding two kinds of materials and preparing zeolite/ activated carbon composite materials.However，zeolite and activated carbon can effectively exert their respective advantages while removing the turbidity，chroma，ammonia nitrogen And organic matter，also be used for gas purification，separation and other processes.

zeolite+activated carbon combined process；removal of wastewater；gas purification；separation

X703

：B

1003–6490（2016）10–0050–02

2016–09–15

高巍（1987—），女，山西朔州人，助教，主要從事化工工程教學(xué)工作。