沸石的研究进展

目录0引言.................................................................................................................................................21氨氮吸附机理..................................................................................................................................31.1吸附作用........................................................................................................................................31.2离子交换作用................................................................................................................................32吸附作用影响因素..........................................................................................................................32.1沸石用量及粒径对去除效果的影响............................................................................................32.2温度对去除效果的影响................................................................................................................32.3PH对去除效果的影响....................................................................................................................32.4共存阳离子的影响........................................................................................................................43沸石的改性......................................................................................................................................43.1酸处理............................................................................................................................................43.2盐处理或碱处理............................................................................................................................43.3改变硅铝比....................................................................................................................................44结语.................................................................................................................................................4参考文献.............................................................................................................................................5沸石的研究进展及其在处理氨氮废水中的应用摘要：沸石是一种天然廉价的多孔物质,表面极性强,晶格中有可交换的阳离子,能有效去除水中极性物质和金属离子，在水处理领域具有广阔的应用前景。本文通过对沸石结构及性能的介绍，阐述了沸石对氨氮的吸附机理，分析了吸附效果的影响因素，探究了沸石的改性方法，并对其未来的发展进行了展望。关键字：水处理沸石氨氮吸附0引言由于水源水受到污染,使得水中溶解性有机物、氨氮浓度升高,造成常规的水处理工艺很难使水质达到饮用水标准。饮用水中氨氮浓度过高可促进亚硝酸盐浓度升高,加之水中溶解性有机物，特别是有机卤化物等的存在更会对饮用水的安全造成隐患。通常，用于去除NH4+-N的生化方法去除率低、周期长、成本高，因此，寻找一种高效、切实可行的去除NH4+-N的方法具有现实意义。沸石是由碱金属和碱土金属组成的含水网状铝硅酸盐物质,是沸石族矿物的总称[1]，其化学通式为:MxDy[Al（x+2y)Si(x+2y)O2]·mH2O，分子中的阳离子(Si,Al)和O一起构成四面体格架,称为结构阴离子。在这种结构阴离子中,中心是Si(或Al)原子,每个Si(或Al)原子的周围有4个O原子,各个Si/O四面体通过处于四面体顶点的O原子互相连接起来,形成许多宽阔的孔穴和空道,这是沸石与其它架状硅酸盐矿物不同之处,因而沸石具有很大的比表面(400～800m2/g)。沸石这种格架结构决定了它具有较高的吸附交换性能。沸石这些孔穴和孔道可吸附大量的其他分子或离子,因而沸石的吸附量远远超过其他物质。沸石的孔穴和孔道大小均匀,直径在0.3～lnm之间,小于这个直径的物质能被吸附,而大于这个直径的物质则被排除在外而不能被吸附,因而沸石具有选择吸附的特性。沸石表面还具有很大的色散力和静电力,故其吸附力很大。沸石特定的结构决定了它对氨氮有较强的去除效果，然而天然沸石的开孔和通道中常常被Ca、Mg等杂质阳离子以及水和有机物分子所占据,其离子交换和吸附性能受到限制,因此,利用合适的方法对天然沸石进行活化后再使用已成为必要。1氨氮吸附机理氨氮在沸石上的吸附以化学吸附作用与离子交换作用为主[2]，其吸附作用具有“快速吸附，缓慢平衡”的特点。1.1吸附作用天然沸石具有比表面积大(一般440～1030m2/g)，孔径均匀，可产生超孔效应的特点，加上其特殊的分子结构进而可形成较大静电引力，使沸石具有相当大的引力场，当沸石内部的孔穴和孔道一旦有“空缺”时，沸石就会表现出很强的吸附能力，与其他吸附剂相比，沸石具有吸附量大、高选择性和高效吸附等特点。1.2离子交换作用沸石的空间结构基本单元是由4个O原子和1个Si(或Al)原子堆砌成Si(或Al)/O四面体。在此四面体中，氧原子中有的价键未得到中和，使整个Si(或Al)/O四面体带有负电，为保护电中和，缺少的正电荷由附近带正电的阳离子如K、Na、Ca、Mg等碱金属离子来补偿平衡，这些平衡离子和水分子极易与周围水溶液里的阳离子发生交换，交换后的沸石结构并没有被破坏，这使沸石具有离子交换的特性。2吸附作用影响因素沸石自身的吸附机理和结构特点，决定了其对氨氮的去除能力要受到自身用量、温度、pH等多重因素的影响[3]。2.1沸石用量及粒径对去除效果的影响在一定范围内,沸石用量增加,NH4-N去除率也增加。但并非用量越多去除效果越好,有研究表明：沸石用量在2g/L以上时,去除效果并未明显增加。相反,另有试验中发现：沸石用量的增多会使水质产生浑浊,从而影响水体的浑浊度指标,并易使比色测定误差增大，为此针对不同成分的含氨氮水，应将沸石用量控制在一定的范围内。此外，粒径越小,其比表面积越大,去除效果也随之增加。但粒径过小,以至于成粉末状，会使其机械强度有所降低,从而造成损耗增大且吸附剂在水中易于膨胀,并在动态试验中随水流出,影响出水水质。2.2温度对去除效果的影响活化沸石去除废水中的氨氮与废水的温度有密切关系。随着温度升高,NH4+去除率也增加。这主要是因为温度升高,离子动能增加,运动频率也增加,越易深入到沸石空穴中而被交换吸附。另外由于温度升高,已至达到40℃以上时,水中氨氮部分逸出，进而使去除率更为升高。2.3pH对去除效果的影响随着pH值的不断减小,水样的酸度愈大,水样中NH4+去除率越低，说明沸石在酸性环境下吸附交换NH4+的效果较差。这是因为pH值降低,会使水样中H+增多,同为阳离子的H+及NH4+都有被沸石吸附的趋势,H+的半径要远小NH4+的半径,H+比NH4+更易与沸石上的金属阳离子交换。当水的pH在7附近时,水样中H+浓度降低,与NH4+争夺阳离子的作用不很明显,但当溶液的pH值减小时,这种作用很明显,即H+比NH4+更易与沸石上的金属阳离子交换,导致NH4+不能被沸石充分吸附交换,处理水质效果不好。当pH值较大时,去除效果也逐渐降低,此时水中氨氮以分子形态存在,仅吸附现象起作用,离子交换间的作用力减弱,因此沸石除氨氮的pH值应保持在6~8之间。在整个处理过程中,处理出水因碱度增大，而使浊度有所增加。2.4共存阳离子的影响多种阳离子都存在对氨氮的吸附竞争，尤其是K+，沸石对其吸附能力在氨氮之上。夏丽华等人[4]在氨氮浓度为2mg/L的条件下，研究了Ca2+对沸石去除氨氮的影响，结果显示：当水中存在Ca2+时,沸石去除氨氮的效果下降。对于酸浸沸石,当氨氮质量浓度为1mg/L时,氨氮的去除率由最高的85.8%降低为76.7%。3沸石的改性沸石孔穴的大小直接影响离子交换的进行：只有小于孔径的分子才能进入沸石孔穴内,否则不能进入其中而参与反应。电镜显示：经过改性的沸石表面明显伸展、表面积增大，这样有利于对氨氮的吸附[5]。3.1酸处理酸处理的目的主要有:(1)清除沸石孔穴和孔道的SiO2、Fe2O3和有机物质等杂质,从而使孔穴和孔道得到疏通；(2)半径小的H+置换半径大的阳离子,如Ca2+、Mg2+、Na+等,使孔道的有效空间拓宽；(3)增加吸附活性中心。研究表明：盐酸、硫酸等都可用于对沸石进行改性。3.2盐处理或碱处理通常采用NaCl、KCl、NH4Cl对天然沸石进行改性,以置换沸石中的Ca2+、Mg2+等。如王萍等用lmo1/L的NaCl对沸石改性,使其对苯酚的去除能力增强。碱处理通常采用氢氧化钠。3.3改变硅铝比降低沸石硅铝比，以增强其吸附性能是近几年出现对沸石改性的新方法。经过降低硅铝比后,沸石对H2O、H2S、NH3的吸附容量明显高于只进行过焙烧的丝光沸石,特别是对H2O、NH3的吸附,其差别更为明显。此外，红外光谱检测表明：降低硅铝比后的改性沸石仍然保留与丝光沸石相同的构造。4结语沸石是一种天然廉价的多孔物质,表面极性强,晶格中有可交换的阳离子,能有效去除水中极性物质和金属离子，在水处理中有着良好的应用前景。但是,目前对沸石的改性处理还存在一些问题，为使沸石在水处理中获得更好的效果，可着重于以下几方面的研究。（1）由于H2O的极性较大,沸石对H2O有很大的吸附容量,在竞争吸附中,NH4+、F-、Pb2+的竞争吸附能力远不及H2O，因而水的存在将在很大程度上