沸石对水体中氨氮去除机理及影响因素研究

科技论坛沸石对水体中氨氮去除机理及影响因素研究王文冬杨颖显（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳110168）摘要：与吹脱处理法、折点加氯法等传统方法相比，沸石对氨氮的去除方法具有选择交换性强、再生性高、运行成本低及各种温度下处理效果好等优点，在饮用水脱氮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去除机理，分析了去除效果的影响因素，并对其未来的发展进行了展望。关键词：沸石；氨氮；去除机理；影响因素1概述沸石是由碱金属或碱土金属组成的含水网状铝硅酸盐物质,具有架状结构，在其晶体内部，分子像搭架子似地连在一起，中间形成很多空腔，通常情况下该空腔为水分子及金属阳离子所占据，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[1]。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,使得沸石具有很大的比表面(通常为400～800m2/g)[2]。通常情况下，沸石空腔中的水分子、金属阳离子与沸石骨架离子的联系是松弛而微弱的。这些水分子及阳离子可以自由地移动和出入孔道而不影响其骨架构造，沸石这种格架结构决定了它具有较高的交换吸附性能。沸石具有较大的比表面积，孔穴和孔道结构的存在使得沸石可以吸附大量的分子或离子。2沸石对氨氮去除机理沸石对氨氮的去除以物理吸附作用与离子交换作用为主[3]，其吸附作用具有“快速吸附，缓慢平衡”的特点。2.1吸附作用在沸石的组成结构中，[SiO4]和[AlO4]以共角顶的形式联成硅铝氧格架[4]，在格架中形成了许多宽阔的孔穴和孔道（占晶体总体积的50%以上），使得天然沸石具有比表面积大(通常在440～1030m2/g)；天然沸石往往孔径均匀，因而可以产生“超孔效应”；在沸石表面所具有的强大色散力作用下,沸石孔穴中分布的阳离子和部分架氧所具有的负电荷相互平衡,使得沸石又具有较强的色散力和静电力作用；加之沸石所特有的分子结构而形成的较大静电引力，使沸石具有相当大的引力场，由以上四种因素的综合作用使得沸石具有很强的吸附性，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[5]。2.2离子交换作用离子交换是指沸石晶体内部阳离子与废水中NH4+进行交换的化学过程：在硅(铝)氧四面体基本单元中，部分氧原子的价键未得到中和，使整个四面体基本单元带有部分的负电荷，为达到电性中和，该四面体基本单元中缺少的正电荷会由附近带正电的碱土金属离子阳离子（如K+、Na+、Ca2+、Mg2+）来补偿[5]；废水中的NH4+直径小于沸石的孔穴通道直径,通过沸石的吸附作用容易进入孔穴到达沸石表面,并与沸石晶格中碱土金属离子阳离子发生交换并将其置换下来，而且离子交换后的沸石并不发生结构变化，这使沸石具有离子交换特性。废水中NH4+与沸石中碱土金属离子阳离子发生交换反应,使废水中NH4+减少，从而实现沸石对氨氮的去除作用。3吸附作用影响因素3.1沸石投加量及沸石粒径对氨氮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，另外再增加沸石用量从经济角度也是不科学的。杨胜科等研究发现：1g沸石就可以将200mL水样中lmg/LNH4+降至0.2mg/L以下,此时已低于国家饮用水标准,再增加沸石用量,并未显著地提高NH4+的去除率,相反却使水质产生浑浊,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。3.2温度对氨氮去除效果的影响沸石对氨氮的去除效果与废水的温度有着密切关系[6]：随着温度升高,沸石对氨氮的吸附能力加强,因为温度的升高,使得NH4+离子动能增加,运动频率也随之增加,运动频率较高的NH4+离子更容易深入到沸石空穴中而被交换吸附。3.3pH对氨氮去除效果的影响沸石对氨氮的去除随废水pH值的增加而先增大后减小[7]：当溶液偏酸性时，溶液中存在大量的H+，H+的半径要远小NH4+的半径,比NH4+更容易与沸石上的金属阳离子发生交换，不利于NH4+的交换；当溶液偏碱性时，OH-与NH4+发生中和反应，生成NH3，使得水中氨氮以分子形态存在,NH3不能与沸石进行离子交换，仅吸附现象起作用,氨氮去除能力下降。结束语我国应加强沸石在废水处理方面的应用研究,使其在环保行业发挥更大的作用,以达到提高出水质量的同时，降低处理成本。（1）强化对沸石去除氨氮机理和氨氮去除动力学的研究，优化影响氨氮处理效果的性能参数，并建立各影响因素的协调作用机制，为沸石对氨氮的去除提供理论指导；（2）提高沸石的疏水性能，降低沸石对吸附能力：水分子具有较高的极性,沸石对其有很大的吸附容量,在竞争吸附中,NH4+、Ca2+、Pb2+的竞争吸附能力远不及H2O。为此，在对沸石性能优化过程中,应考虑对沸石进行疏水处理,以降低沸石对H2O的吸附性能,以期提高沸石对NH4+、Ca2+、Pb2+等的吸附能力。参考文献[1]王绪绪,陈旬,等.沸石分子筛的表面改性技术进展[J].无机化学学报，542-549.[2]肖举强，于连群．活化沸石去除水中氨氮的研究[J].兰州铁道学院学报，1995，14(1)：79-82.[3]陶维屏,高锡芬.中国非金属矿床成矿系列━━矿床、含矿建造、成矿系列形成模式[M].北京：地质出版杜,1994.[4]MarkE.Davis.Zeolitesandmolecularsieves:notjustordinarycatalysts[J].Ind.Eng.Chem.Res,1991,30(8):1675-1683.[5]李超，朱邦辉.沸石吸附处理含磷废水的研究进展[J].广东化工,2010,27(3):28-30.[6]游少鸿，佟小薇，朱义年.天然沸石对氨氮的吸附作用及其影响因素[J].水资源保护，2010,26（1）：70-74.[7]袁俊生,郎宇,等.沸石法工业污水氨氮治理技术研究[J].环境污染治理技术与设备,2002,3(12):61-63.124··