沸石處理廢水中重金屬離子的應(yīng)用及研究

張偉娜　尚珂　初開艷

（1.中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176；2.北京中冶設(shè)備研究設(shè)計總院有限公司，北京 100029；3.青島市城市規(guī)劃設(shè)計研究院，山東青島 266071）

沸石處理廢水中重金屬離子的應(yīng)用及研究

張偉娜1尚珂2初開艷3

（1.中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176；
2.北京中冶設(shè)備研究設(shè)計總院有限公司，北京 100029；3.青島市城市規(guī)劃設(shè)計研究院，山東青島 266071）

沸石是一種含水架狀結(jié)構(gòu)的多孔硅鋁酸鹽礦物。天然沸石吸附量大、吸附效率高，同時具有離子交換性能及擇型催化性能，在吸附含重金屬離子廢水方面具有獨特優(yōu)勢。改性后的沸石在自身基礎(chǔ)上擁有更高的孔隙率、表面活性、吸附性能和離子交換性能及交換量。本文對近年來天然及改性沸石去除廢水中重金屬離子方面的應(yīng)用進行了研究，提出了沸石處理廢水中重金屬離子的問題及應(yīng)用發(fā)展方向。

沸石 廢水 重金屬離子 吸附

1　引言

在人類的工生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生與排放大量含重金屬離子的廢水。由于重金屬離子不能被生物降解為無害物，而在水體中富集，并通過食物鏈最終危害人類健康。沸石是自然界中廣泛存在的一種硅鋁酸鹽礦物，它具有特殊的四面體結(jié)構(gòu)，及較大的表面積和較高的離子交換和吸附能力，可有效去除重金屬離子并回收利用。

2　沸石結(jié)構(gòu)

沸石是一種含水架狀結(jié)構(gòu)的多孔硅鋁酸鹽礦物，是沸石族礦物的總稱。構(gòu)成沸石骨架最基本的結(jié)構(gòu)是硅氧（SiO4）四面體和鋁氧（AlO4）四面體。在鋁（硅）氧四面體中，由于一個氧原子的價電子沒有得到中和，使得整個鋁（硅）氧四面體帶有一負電荷，為保持電中性，附近必須有一個帶正電荷的金屬陽離子來抵消。由于晶體結(jié)構(gòu)的開放性，沸石含有許多排列有序、大小均勻、彼此貫通并與外界相連的空穴和孔道，是最典型的具有納米介孔結(jié)構(gòu)的非金屬礦物［1］。

3　沸石的性能

3.1吸附

沸石晶體的大量孔穴和孔道［2，3］（孔穴度高達40%～50%），其中占據(jù)著陽離子和水分子，當(dāng)經(jīng)過烘燒使它部分或全部脫水后，其結(jié)晶骨架并未破壞，從而形成一個內(nèi)表面積很大的孔穴，可吸附并儲存大量分子。沸石與其它吸附劑相比還具有以下特點：

（1）吸附量大，一般固體顆粒每克僅有幾個平方米的內(nèi)表面積，而每克沸石的內(nèi)表面積竟有千余平方米。（2）高選擇性 沸石晶體內(nèi)部的空穴和孔道大小均勻固定。只有直徑較小的分子才能通過沸石孔道進入空穴被吸附，沸石因其具有選擇吸附性能，也稱為分子篩。（3）高效吸附 由于沸石晶體內(nèi)部有強大的庫侖場和極性起著作用，所以對H2O、NH3、H2S、CO2等高極性分子具有很強的親合力，特別是對水，即使在相對低濕度和低濃度、高溫等不利條件下，仍能吸附，吸水量比硅膠和活性氧化鋁都高。

3.2離子交換性能

沸石中K+、Na+、Ca2+等陽離子與結(jié)晶格架的結(jié)合不很緊密，具有在水溶液中與其他陽離子進行可逆交換的性質(zhì)。交換后沸石晶格結(jié)構(gòu)并未被破壞，只是通過離子交換使得晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電場、比表面積等發(fā)生了某種變化。

3.3擇形催化

活化處理后的天然沸石，具有催化性能。沸石內(nèi)部的孔穴相互溝通的通道大小決定了吸附質(zhì)能否被吸附，只有那些分子直徑小于通道直徑的吸附質(zhì)才能通過通道進入籠內(nèi)被吸附。因此在沸石內(nèi)部進行的許多催化具有擇形性［2，3］。另外，沸石還是理想的催化劑載體。

4　沸石去除水中的重金屬離子

4.1天然沸石去除水中的重金屬離子

天然沸石由于具有良好的吸附性及離子交換性，在去除及回收廢水中的重金屬元素方面得到廣泛的應(yīng)用。Sabeha Kesraoui Ouki［4，5］等研究了斜發(fā)沸石和菱沸石對含有多種重金屬離子的廢水的處理效果，結(jié)果表明兩種沸石對Pb2+都有很好的去除能力，對各種離子選擇吸附的順序，菱沸石為：Pb＞Cd＞Zn＞Co＞Cu＞Ni＞Cr；斜發(fā)沸石為：Pb＞Cu＞Cd＞Zn＞Cr＞Co＞Ni。離子初始濃度對斜發(fā)沸石的吸附效果有較大影響（Pb除外，大部分情況下去除率都在100%），初始濃度為10×10-6時，吸附效果最好。離子濃度對菱沸石的去除效果影響不是很明顯。菱沸石的交換容量大于斜發(fā)沸石，主要是由于菱沸石骨架中較多的Si被Al取代，因此骨架負電荷較多，交換容量大，故其對金屬離子的去除率較高。溶液pH值對去除率也有影響，pH值降低，去除率升高。總的來說，兩種沸石的去除能力并不因為溶液中多種重金屬離子的存在而受到影響，因此在處理含有多種重金屬的廢水方面有很大的應(yīng)用前景。

S.T.Bosso［6］等人用鈣沸石對水中多種重金屬離子（Pb2+、Cu2+、Zn2+、Ni2+、Co2+和Cd2+）的去除進行了研究。試驗在含有重金屬的水中加入0.5g樣品，室溫下持續(xù)攪拌24h。研究表明，鈣沸石對Cu2+具有極大的親和力，吸附量為130×μeq/g（溶液pH值=6，Cu2+初始濃度Ci=30mg/L，液固比=200）。

4.2改性沸石去除水中的重金屬離子

為進一步提高天然沸石的吸附，離子交換等性能。可以對天然沸石進行改性處理。改性后可以明顯提高其孔隙率、表面活性、吸附性能和離子交換性能及交換量。

陳國安采用稀無機酸（HCl、H2SO4、HNO3）改性天然沸石，試驗表明改性后能增強其吸附性能。將改性后天然沸石用于處理Cr6+和Zn2+初始質(zhì)量濃度皆為17～32mg/L的電鍍廢水，可使出水中重金屬離子Cr6+、Zn2+濃度低于國家排放標準，沸石經(jīng)鹽酸和氯化鈉混合液解吸再生后可重復(fù)使用，處理成本為1元/T左右［7］。

李曼尼研究了Cl-、F-共存時，NaCl改性的Na型斜發(fā)沸石對廢水中Cu2+交換量及廢水深度凈化率的影響規(guī)律［8］。實驗結(jié)果表明，經(jīng)NH3Cl預(yù)處理，N aC l改性的Na型斜發(fā)沸石深度凈化工業(yè)廢水中Cu2+時，Cu2+的初始質(zhì)量濃度為20mg/L和40mg/L時，可以忽略Cl-、F-共存陰離子及其在溫度變化不大時對Na+和Cu2+水熱交換量的影響，廢水Cu2+去除率可達97%以上，而Na型沸石的陽離子交換率僅達8%，因此在工業(yè)廢水的治理中Na型斜發(fā)沸石有很好的應(yīng)用價值。

5　應(yīng)用前景與展望

我國沸石資源豐富，價格低廉，性質(zhì)優(yōu)良，所以沸石在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用有著其他礦物質(zhì)無法比擬的優(yōu)點。但是，沸石作為一種新型的水處理劑，目前在技術(shù)上還不太成熟，而且其吸附特性與其固有的結(jié)構(gòu)有著直接的聯(lián)系，因此要真正廣泛應(yīng)用于實踐還需開展大量工作。

一是尋找將沸石的吸附作用與其他技術(shù)相結(jié)合處理含重金屬的污染水源的有效方法，利用沸石獨特的特性聯(lián)合其他處理工藝，達到各自的優(yōu)勢互補。二是由于天然沸石種類很多，在實際應(yīng)用時必須經(jīng)過實驗合理選用，而且廢水由于來源不同，成分復(fù)雜，因而需根據(jù)具體情況確定合理的操作條件，通過中試及生產(chǎn)性試驗，探討出沸石處理各種水源的最佳工藝條件，確定運行參數(shù)，以實現(xiàn)工廠化工藝水處理。三是必須根據(jù)具體情況確定合理的再生方法，使飽和失效的沸石再生，減少資源浪費及避免新的污染。

［1］Jun Li.Studies on natural STI zeolites，modifition，structure，adsorption and catalysis［J］.Microporous Mesoporoua Water，2000 （3）：365-378.

［2］Mark E.Davis and Raul F.Lobo.Zeolite and molecular sieve Synthesis［J］.Chem.Mater.1992（4）：756-768.

［3］閻子峰.納米催化技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［4］Sabeha Kesraoui Ouki and Mark Kavannagh.Performance of natural zeolites for the treatment of mixed metal-contaminated efeluents［J］.Waste management & Research，1997（15）：383-394.

［5］S.K.Ouki，M.Kavannagh.Treatment of metals-contaminated wastewaters by use of natural zeolites［J］.Wat.Sci.Tech，1999 （10-11）：115-122.

［6］S.T.Bosso，J.Enzweiler.Evaluation of heavy metal removal from aqueous solution onto scolecite［J］.Water Research，2002（36）：4795-4800.

［7］陳國安.沸石處理重金屬離子廢水的試驗研究［J］.礦產(chǎn)保護與利用，2001（6）：17-19.

［8］李曼尼，張景林，孟克巴雅爾，等.Cl-、F-陰離子共存在時Na型斜發(fā)沸石與廢水中Cu2+交換性能的研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2001，21（增刊）：93-96.

偉娜（1982—），女，河南安陽人，碩士研究生，畢業(yè)于北京科技大學(xué)，工程師，現(xiàn)就職于中冶京誠工程技術(shù)有限公司，研究方向：給排水設(shè)計。