改性沸石在廢水處理中的應用分析

楊 臻，李培啟

（信陽職業技術學院，河南 信陽 464000）

將天然的非金屬礦應用于廢水處理領域，是新時代生態研究的重點與熱點。其中，沸石具有催化性、耐酸性、吸附性、抗毒性和生物活性等一系列物理特性與化學特性，使得其一經發現便引起了廣大研究人員的濃厚興趣。目前，沸石資源已經被廣泛應用到獸藥、飼料、養殖、環保等領域，尤其是其在廢水處理中的研究也不斷深入。這就使改性沸石處理成分復雜的生活廢水成為可能，使其擁有更為廣泛的應用前景。

1 沸石的主要特性

1.1 離子交換性

沸石的空間結構主要是由一個鋁原子或者硅原子與四個氧原子構成的鋁或者硅氧四面體。在沸石的四面體結構中，如果氧原子中的一些價鍵沒有予以中和，會使整個四面體產生負電，而為了對電中和進行保護，不足的正電荷就會由周圍含有正電陽離子的堿土金屬離子進行補償，以實現平衡[1]。但平衡水分子與陽離子非常容易同附近水溶液中的陽離子進行交換，沸石資源的結構在交換后并未遭到破壞，反而使得沸石資源具備離子交換的特性。因此，沸石具有突出的離子交換性。

1.2 吸附性

沸石的晶格內部結構開放性較大，具有架狀的鋁或硅氧骨干，以及諸多通道與空穴，其中空穴可以經過開孔的一些通道相互連通，從而促使沸石資源的比表面積非常龐大[2]。同時，平衡陽離子含有的正電與陽離子晶格內部含有的負電的電荷中心，在實際空間層面上并非相互重疊，因此分子間有強大的靜電吸引力。強靜電吸引力與大比表面積使得沸石的吸附性能非常強，特別是對氨氮、二氧化硫等諸多污染性氣體的吸附性更強。

1.3 催化性

沸石資源的催化性主要表現為：當特定反應在沸石資源內部的大空穴表面進行寄附時，其實際的反應速度會加快，反應生成的一些新物質又會從沸石的內部結構中擴散并釋放，但沸石資源的晶格結構并不會被破壞。從中可以看出，沸石的催化性十分顯著。

1.4 熱穩定性

沸石的結構由三維鋁或硅氧骨架組成，這種獨特的結構決定了其具有優質的熱穩定性。實際研究發現，在0～300℃的范圍內，自然沸石會出現脫水與吸熱的現象；當溫度達到650℃左右時，自然沸石會開始放熱；當溫度上升到800℃時，自然沸石依然未出現斷裂。因此，沸石資源的熱穩定性非常明顯[3]。

2 制備改性沸石的具體方法及改性沸石在廢水處理中的實際應用

2.1 改性沸石的制備方法

2.1.1 酸改性沸石的制備方法

分別稱取10 g粒徑為58～120 μm的天然沸石置于0.1 mol/L的鹽酸和0.1 mol/L的硫酸溶液中處理24 h，用蒸餾水洗至中性，在室溫下恒溫振蕩30 min（30℃，200 r/min），洗凈后于105℃下干燥2 h。

2.1.2 鹽改性沸石的制備方法

稱取10 g粒徑為58～120 μm的天然沸石置于濃度為0.8 mol/L含200 mL NaCl的錐形瓶中，于75℃水浴加熱2 h，多次攪拌后抽取濾液，用蒸餾水洗至中性，恒溫振蕩60 min（30℃，200 r/min），棄去上清液并用蒸餾水沖洗若干次，于105℃下干燥2 h。

2.1.3 有機改性沸石的制備方法

分別稱取10 g粒徑為58～120 μm的天然沸石置于一定濃度的HDTMA（三甲基十六烷基溴化銨）溶液和CPB（溴代十六烷基吡啶）溶液中，60℃水浴下攪拌2 h，靜置冷卻至室溫后過濾，蒸餾水洗滌4～5次，90℃下烘干，再于105℃下活化2 h，即得到改性的有機沸石。

2.2 改性沸石在廢水處理中的應用

2.2.1 HDTMA改性沸石處理廢水

研究表明，30℃為HDTMA改性沸石在處理廢水過程中的最優吸附溫度，1 h則為改性沸石處理廢水過程中的最優吸附時長。另外，制備出的HDTMA改性沸石去除廢水中的磷酸鹽、氨氮與CODCr等物質的功能要遠優越于天然的沸石。因此，將HDTMA改性沸石應用于廢水處理具有良好的效果。

2.2.2 CPB改性沸石處理廢水

通過對改性沸石的制備可以發現，當對20 mL的廢水進行處理時，選用0.8 g的改性沸石量效果更佳，要將吸附時長控制在60 min左右[4]。然而，一旦改性沸石的吸附量已經處于飽和狀態，其隨著吸附時長的增加，會出現解吸現象。所以，通過CPB改性沸石對廢水進行處理時，最好用0.8 g改性沸石處理20 mL生活污水，時間控制在60 min的效果最理想。

3 影響改性沸石處理廢水的主要因素

3.1 吸附的實際溫度

吸附的實際溫度對CODCr（化學需氧量）、氨氮和磷酸鹽的去除率影響比較顯著。譬如，當吸附的實際溫度在15℃的基礎上不斷增加時，改性沸石對廢水中的磷酸鹽、氨氮與CODCr的去除效率表現出持續上升的態勢；當吸附的實際溫度控制在30℃時，去除率達到最高值；當吸附的實際溫度超過30℃時，去除率表現出下降態勢。因此，當吸附的實際溫度處于30℃時，改性沸石的吸附量與吸附性能最佳。

3.2 吸附的具體時長

廢水中的CODCr對改性沸石的具體吸附時長比較敏感。比如，當改性沸石在廢水處理過程中的吸附時長在30～60 min時，去除CODCr的數值表現出遞增態勢；當吸附時長恰好為60 min時，去除值為最高點；當吸附時長高于60 min時，數值沒有較大的變化，但當時長超過70 min后，數值就會逐漸下降。因此，改性沸石在廢水處理過程中的最佳吸附時間為1 h。

3.3 投加的沸石數量

處理生活污水20 mL，CPB改性沸石投加量為0.2 g時，CODCr、氨氮和磷酸鹽的去除率不高；當投加量為0.8 g時，CODCr、氨氮和磷酸鹽的去除率比較大；當改性沸石的投加量變為1.0 g時，CODCr、氨氮和磷酸鹽的去除率基本保持不變。因此，處理20 mL生活污水，CPB改性沸石的最佳投加量為0.8 g。

4 改性沸石在廢水處理中應用存在的主要問題及其應用前景

4.1 改性沸石在廢水處理中應用存在的主要問題

當前，國內外針對改性沸石在廢水處理中的應用仍以實驗室中的研究為主，對于廢水中各種污染物的處理與吸附研究還比較少。而實際生產生活中的廢水來源不盡相同，其成分極為復雜，因而需要結合具體狀況，確定更為科學的沸石改性方法與再生方法對廢水進行處理[5]。由此可見，大力研究成本低、效率高、復合性的沸石改性方法是當前的重要任務之一，同時這也是改性沸石在廢水處理中的應用研究重點。

4.2 改性沸石在廢水處理中的應用前景

應用改性沸石處理廢水具有生態環保、效果好、成本低廉的顯著優勢，因而改性沸石在廢水處理領域的應用前景十分廣闊。改性沸石作為全新的水質凈化劑，已經逐步從實驗室走向工廠與市場，其商品化與工業化特性不斷顯現。特別是伴隨著對沸石的更深入研究，其未來的發展空間必將不斷擴大。

5 結語

沸石資源具有較強的吸附性能、催化功能與離子交換作用，并且無味、無毒、天然，同時改性沸石的制備方法比較經濟、簡單、實用，其去除氨氮的能力非常強，對有機物分子的吸附性能也很高。因此，加強改性沸石在廢水處理中的應用研究，不僅有助于發揮改性沸石的環境保護功能，而且能夠實現以廢治廢的重要目標。