沸石的改性与再生及其在水处理中的应用_赵春辉

环保与安全工程沸石的改性与再生及其在水处理中的应用赵春辉,于衍真,冯岩＊(济南大学土木建筑学院,山东济南250022)摘要:通过对沸石进行改性处理能够克服其自身的缺点,可以更为广泛的应用于水处理行业。目前对沸石改性的方法主要有活化、表面改性和结构改性。3种方法可以联合使用,以便得到更好的改性效果。改性沸石可以通过物理或化学方法使其再生后重复利用,能有效的降低水处理成本。关键词:沸石;改性;再生;水处理中图分类号:TQ424.25;TO991.24文献标识码:A文章编号:1002-1116(2008)04-0030-04沸石是自然界中广泛存在的一族铝硅酸盐矿物,其种类繁多,结构复杂,主要是由三维硅氧及铝氧骨架组成,由于其独特的结构和晶体化学性质,使得其具有吸附分离、离子交换、催化、耐酸碱、耐辐射和密度小等特点,已经作为滤料、离子交换剂、吸附剂等广泛的应用于水处理行业中。对其进行改性以开发出经济、高效的新型水处理材料,对解决我国日益严峻的水环境污染和水资源短缺问题,具有重要的现实意义[1]。1天然沸石的缺点天然沸石的孔道易被其它杂质阻塞,相互连通程度差,造成其吸附能力较差;处于交换位上的交换离子不统一,其结合性有强有弱,导致其交换能力较差;其内部硅氧骨架中的Si4+部分被Al3+取代,且结构外部阳离子易水解,造成其表面带有负电荷,作为曝气生物滤池滤料时不利于微生物的挂膜生长,也难于吸附水中的阴离子污染物;表面的铝氧结构具有较强的亲水性能,使得其对有机物的吸附性能较差。有必要对其进行改性处理以提高其处理性能。2沸石改性的方法2.1活化处理沸石的活化方法一般有高温焚烧和无机酸处理等。天然沸石经干燥后再对其进行高温培烧,控制焙烧温度在350～580℃,焚烧时间90～120min,即为沸石的高温培烧活化。培烧温度过低往往起不到活化的效果,而温度过高通常会造成沸石结构的破坏。经高温焙烧后的沸石在机械强度和吸附能力方面均有较大幅度的提高[2]。采用硫酸、盐酸等无机酸可对沸石进行预活化。通常采用质量分数4%～10%的盐酸或硫酸对沸石进行活化,低于此浓度的酸对存在于沸石中的杂质去除效果不好,而高于此浓度的酸会造成中和过程的不经济,不方便[3]。一般高温焙烧活化与无机酸活化这两种方法往往配合使用。试验表明,经无机酸处理后的沸石再经过高温焙烧,其吸附性能和离子交换性能大幅提高[4]。通常认为是由以下几个方面的原因造成的:(1)经高温焙烧后的天然沸石其内部的结构水会逸出,形成疏松多孔的海绵状结构,同时使通道和孔穴更加空旷,内表面积相应的增大,使其吸附和离子交换能力得到提高;(2)利用盐酸等无机酸对沸石进行处理,可以去除掉残留在沸石内部通道和孔洞中的有机物和其它杂质,使孔洞和通道的连通性更好;(3)经活化后的沸石能增强其吸附活性中心[5]。单纯将活化后的沸石用于水处理是比较少的,沸石活化往往作为预处理而配合表面和结构改性共同使用来提高沸石的性能。第36卷第4期2008年8月江苏化工JiangsuChemicalIndustryVol.36No.4Aug.2008＊收稿日期:2008-06-29基金项目:山东省自然科学基金项目(Y2007F50)作者简介:赵春辉(1984—),男,山东济南人,硕士研究生,师从于衍真教授,研究方向:污水处理技术。电话:13589045461,E-mail:chunhui1984315@yahoo.com.cn。2.2表面改性在沸石的表面上覆盖一层多孔的、等电点高的改性剂,可以使改性后的沸石在保持原有优点的基础上,获得新的功能。用NaCl溶液对天然斜发沸石改性制得Na-型沸石对水中的苯酚有较好的去除效果。而利用NH4Cl和CaCl2溶液对天然沸石进行改性处理,也能够大幅度提高沸石对阳离子的吸附能力。而目前利用有机阳离子表面活性剂对天然沸石进行表面改性制备有机沸石以吸附水中的阴离子污染物,正成为目前研究热点。2.3结构改性2.3.1骨架元素的改性沸石主要骨架元素为硅元素和铝元素,是决定沸石基本性质的主要因素。通过对其骨架元素进行改性,改变硅铝比,可以改变其基本性质。沸石是铝元素取代硅氧四面体中的硅元素所形成的含水硅铝酸盐矿物。因为硅元素表现出正四价,而铝元素呈正三价,沸石中铝元素取代硅元素越多,产生的过剩负电荷也就越多,对极性分子或离子的吸附能力也就越强;另一方面,经铝代硅后的沸石,能够使其晶胞变大,造成沸石中的空穴体积也相应变大,由于沸石吸附某物质的分子数与空穴体积的大小呈正比,空穴体积的加大将使沸石的吸附容量增加。通过降低硅铝比,可以显著提高沸石的吸附能力和吸附容量。而提高硅铝比,降低沸石中铝元素的含量,则可以使得沸石的亲水能力下降,疏水能力提高[6],有利于其对水中的有机污染物的吸附。2.3.2非骨架元素的改性沸石的非骨架