沸石在水處理中的應用研究

張洪源(天津職業大學，天津 300410)

0 引言

沸石作為一種礦石，其最早是由瑞典科學家Axel Fredrik所發現的，沸石內部含有的硅鋁酸鹽、堿類物質在一定條件的高溫下，將產生沸騰現象，且沸石本身具有的分離性、吸附性、導電性等特點，令其在化工領域、工業領域中具有較高的應用價值。經過諸多學者的研究及工業企業的實踐，沸石在污水處理中具有較大的應用價值，特別是在近年來水污染日益嚴重的情況下，利用沸石替代傳統的活性炭吸附工藝，可有效節約污水處理成本[1]。此外，沸石可進行循環利用，通過分子結構的交換特性，可有效實現沸石的再生，其對于現階段污水處理來講，不僅可對水污染起到防控作用，在一定程度上，還可為水污染治理技術提供新的發展方向。

1 沸石結構特性解析

沸石作為以硅鋁酸鹽為主的礦物質，其微觀結構為如圖1所示的四面體結構，其中四個氧原子圍繞在硅原子周圍，形成四面體構型，硅原子處于四個氧原子中央與四個氧原子以化學鍵相連。

圖1 沸石的結構

沸石作為孔狀、中空簇架狀結構的多孔性材料，其內部含有堿類化合物、硅酸鹽類化合物等，這類物質形成一種基于空間狀的孔位形態，保證分子結構的傳輸通道是以多維形式存在的。天然沸石所具備的結構特性，其表面積比值較大，孔徑之間的距離排列也較為均勻，在作用于水體中時，孔位間的均勻分布模式將產生超孔效應，且分子結構之間呈現出電荷耦合效應，因此沸石顯示出一定的靜電效應，令沸石外部產生一個電磁場。當沸石內部的分子結構空隙被外界水體物質填滿時，則其產生的陰離子將自動與陽離子相抵消，一旦外界物質的侵襲與沸石物質產生化學反應時，且此類反應載體是建立在大孔徑的分子結構上來實現的，在一定程度上，將加快反應效率，且反應生成物充滿分子結構空間時，將自動向外溢出。此類反應物的溢出是不會破壞沸石內的晶體結構，進而可以穩定的實現催化作用、吸附效用等，令沸石物質在反應中可充當載體的作用。

2 沸石在水處理中的應用

2.1 有機污染物的處理

水體污染中有機物是常見的污染形式。沸石在對有機污染物進行處理時，主要是通過自身的吸附功能，對含有極性有機化合物分子進行吸收，當然，此類吸附效率是由極性分子的大小所決定的，由于沸石本身的分子結構屬于定性化，在吸收過程中只能對小于分子結構的極性有機分子進行吸收，當極性有機物分子粒徑越大，則越不容易被吸收。但有機物污染物中含有極性基團的分子時，則可在沸石表面發生強烈的吸附反應，例如CH2Cl2、CHCl3、C2H3Cl3等，均可將沸石表面作為反應載體，以提高實際吸附效率。例如，在對天然水中的氯化物成分進行去除時，通過將具有芳香族結構的分子進行吸收，可有效起到水體過濾的作用。通過不斷的實踐認證，我國科學家將天然沸石應用到呈現出有色有機物的自然水中，然后通過控制水體內部的聚合物，以達到苯胺凈化的效用。

2.2 氨氮污染物的處理

水體中氨氮物質的含量超出基準值時，則將產生富營養化的現象，進而為水體中藻類物質的生長提供有利環境，當藻類物質大量聚集時，將產生嚴重的水華現象，吸取水體中的營養，令其它植物、生物所處的生態環境遭到破壞。此外，水體中由氨氮含量超標還將催發出各類水體微生物，對整個供水管道造成一定的侵蝕影響。通過將沸石作為水體清理載體，依托于分子交換功能，可有效去除水體中具有陽離子屬性的氨物質[2]，同時也可為沸石提供一定的再生功能。沸石在進行水體凈化時，由于內部陽離子粒徑存在一定的差異性，導致沸石在進行交換時存在一定的順位特性。通過理論與實踐的不斷驗證，利用天然沸石對水體進行去污處理時，其中效果最為顯著的則是斜發沸石，經數據驗證，利用斜發沸石在水體中進行等離子交換，對氨氮物質的去除率高達94%。但斜發沸石在實際應用過程中，受其它類制約因素比較大，例如水體酸堿度、沸石體積大小、水體溫度值、氨氮含量比值等，為此，要想保證整個去除效率可達到最大值，則必須對整個反應環境進行分析與測定，以分析出沸石處理的最佳效果。

2.3 降氟處理

高氟水是指水體中氟元素含量超出1.0mg/L。氟屬于一種非金屬元素，其化學性質較為活潑，其并不能以單體元素的形式穩定的存在于自然環境中，而是通過和其它元素形成化合物，來降低氟元素的化學活潑性。水體中所含氟主要是氟化合物，氟以離子狀態存在。當水體中的氟元素含量超標時，人們如果長期飲用，將產生一種慢性中毒的現象，例如以氟斑牙、氟骨癥等。在對含氟水體進行凈化處理時，傳統的凈化技術在具體落實中存在局限性問題，難以形成范圍性的推廣。沸石在實際應用過程中，由于本身所具有的吸附氟離子能力較弱，其僅是通過石材內部含有的正價鋁離子對氟離子進行吸附，為進一步增強沸石的活性，對天然沸石進行活化處理，以提高沸石對氟離子的吸附能力[3]，保證在同等條件下，沸石依靠交換能力所產生的吸附效果可得到進一步增強，并可通過解吸劑在沸石完成吸附水體中的氟離子后，可實現再生，保證活化沸石的重復利用。

2.4 重金屬離子處理

沸石作為離子交換載體主要是由內部物理結構中的配位健之間的差異性所決定的，此特性令沸石具備陽離子的交換能力。沸石通過軟化處理，可有效提高天然沸石的離子交換能力。由體積效應可知，當沸石結構的塑性與尺寸呈現出線性關系時，整個結構參數可以規定為因成分不同而導致內部結構的承載能力變大[4]。沸石中存在的正二價鈣離子、鎂離子等，將被鹽水中的正價鈉離子進行置換。在置換過程中，由于鈉離子是小于沸石內部結構的孔隙，此時在經過孔位時，鈉離子傳輸過程中所受到的空間阻力較小，即代表鈉離子更容易在此狀態下進入到沸石結構內部，并隨著沸石內部結構進行有序性傳輸，這就令沸石具備較高的離子交換能力。我國科學家通過軟化實驗，利用沸石對水體進行軟化處理，經過數據分析，軟化后的水體已經達到工業用水需求。此外，通過沸石還可有效對海水進行重金屬處理，通過對沸石進行堿化處理，可最大限度提高沸石對重金屬離子的吸附能力，其對于現階段海水重金屬污染來講，可有效防止水體污染的蔓延，進而對生態環境起到一定的保護作用。

2.5 放射性物質處理

放射性物質在進行處理時，主要是對水體中的Cs、Sr等離子進行交換，在交換時沸石所吸附的Cs可以不進行清除處理，而可以直接將具有Cs離子的沸石當成是放射源進行利用，以此來提高利用效率。如需將放射性物質進行處理時，需對沸石進行高溫熔化，令具有放射性的離子固定在沸石結構中，但從放射性元素的溶解效率來看，大約50年才可溶解0.8%～1.2%，整個溶解過程相對較慢。

3 沸石在水處理中的應用前景展望

一定體積下的沸石處理能力為一定值，當其在水處理過程中的吸附、交換呈現出飽和狀態時，則沸石將無法繼續進行吸附反應，此時，則需對沸石進行再生化處理，對內部結構存在的吸附離子、交換離子等進行處理，令其重新具備相應的吸附能力。目前，針對飽和沸石的再生機制，可采用化學、物理兩種方法來進行操作，如常見的NaCl、Na(OH)、Ca(OH)2等試劑可作為再生劑對沸石進行活化。但在實際還原過程中，應針對沸石所吸附的雜質進行特性分析，保證對沸石結構內的離子可最大限度的消除。例如，在對有機物較多的物質進行清除時，可先將飽和狀態的沸石進行高溫加熱處理(550～650℃)，此狀態下熱沸石所吸附的有機雜質更容易去除干凈；在對含有重金屬的飽和沸石進行處理時，可利用含有一定酸性的氯化鈉溶液(5%～8%)，消除飽和沸石中的重金屬，進而達到再次使用的目的。

從技術發展角度來看，沸石作為新型水處理材料，其實際應用正處于初級階段，部分理論與實踐存在相對滯后性的問題[5]，為此，利用沸石材料作為凈水處理載體時可從下列方向為著力點。

第一，遵循經濟性原則，找出合理的活化方法，確保失效狀態下的沸石進行再生處理時，能有效降低成本，同時保證處理后的效果，進而為沸石水處理工藝的發展提供基礎保障。

第二，將沸石處理工藝與催化、氧化類處理工藝相結合，從而加大污水處理力度。通過將具有金屬特性的催化劑對沸石的化學特性進行改性，令兩種處理形式可同時發揮出應有的效用，便可更加高效的保證沸石水處理時，兩個不同的工藝可最大限度的發揮出催化優勢，提高沸石水處理質量。

第三，將活性炭引入沸石處理工藝中，通過吸附性的共生，對水源進行更高效率的處理。但考慮到活性炭成本較高，在實際結合時，需針對水體處理等級正確界定出兩種工藝的組合形式，以提高經濟產出比。

4 結語

綜上所述，利用沸石進行水處理是一種新型的工藝體系，通過對沸石進行改性處理，在一定程度上可提高污水處理的質量，且可提高整體經濟效益。期待在未來發展過程中，以沸石工藝為主的水處理，可更好的作用于整個水污染防控體系中，為社會資源的有效利用提供技術基礎。