沸石處理廢水中重金屬離子的應用及研究

張偉娜 尚珂 初開艷

【摘 要】沸石是一種含水架狀結構的多孔硅鋁酸鹽礦物。天然沸石吸附量大、吸附效率高，同時具有離子交換性能及擇型催化性能，在吸附含重金屬離子廢水方面具有獨特優勢。改性后的沸石在自身基礎上擁有更高的孔隙率、表面活性、吸附性能和離子交換性能及交換量。本文對近年來天然及改性沸石去除廢水中重金屬離子方面的應用進行了研究，提出了沸石處理廢水中重金屬離子的問題及應用發展方向。

【關鍵詞】沸石 廢水 重金屬離子 吸附

1 引言

在人類的工生產過程中，產生與排放大量含重金屬離子的廢水。由于重金屬離子不能被生物降解為無害物，而在水體中富集，并通過食物鏈最終危害人類健康。沸石是自然界中廣泛存在的一種硅鋁酸鹽礦物，它具有特殊的四面體結構，及較大的表面積和較高的離子交換和吸附能力，可有效去除重金屬離子并回收利用。

2 沸石結構

沸石是一種含水架狀結構的多孔硅鋁酸鹽礦物，是沸石族礦物的總稱。構成沸石骨架最基本的結構是硅氧（SiO4）四面體和鋁氧（AlO4）四面體。在鋁（硅）氧四面體中，由于一個氧原子的價電子沒有得到中和，使得整個鋁（硅）氧四面體帶有一負電荷，為保持電中性，附近必須有一個帶正電荷的金屬陽離子來抵消。由于晶體結構的開放性，沸石含有許多排列有序、大小均勻、彼此貫通并與外界相連的空穴和孔道，是最典型的具有納米介孔結構的非金屬礦物[1]。

3 沸石的性能

3.1 吸附

沸石晶體的大量孔穴和孔道[2，3]（孔穴度高達40%～50%），其中占據著陽離子和水分子，當經過烘燒使它部分或全部脫水后，其結晶骨架并未破壞，從而形成一個內表面積很大的孔穴，可吸附并儲存大量分子。沸石與其它吸附劑相比還具有以下特點：

（1）吸附量大，一般固體顆粒每克僅有幾個平方米的內表面積，而每克沸石的內表面積竟有千余平方米。（2）高選擇性 沸石晶體內部的空穴和孔道大小均勻固定。只有直徑較小的分子才能通過沸石孔道進入空穴被吸附，沸石因其具有選擇吸附性能，也稱為分子篩。（3）高效吸附 由于沸石晶體內部有強大的庫侖場和極性起著作用，所以對H2O、NH3、H2S、CO2等高極性分子具有很強的親合力，特別是對水，即使在相對低濕度和低濃度、高溫等不利條件下，仍能吸附，吸水量比硅膠和活性氧化鋁都高。

3.2 離子交換性能

沸石中K+、Na+、Ca2+等陽離子與結晶格架的結合不很緊密，具有在水溶液中與其他陽離子進行可逆交換的性質。交換后沸石晶格結構并未被破壞，只是通過離子交換使得晶體結構內部的電場、比表面積等發生了某種變化。

3.3 擇形催化

活化處理后的天然沸石，具有催化性能。沸石內部的孔穴相互溝通的通道大小決定了吸附質能否被吸附，只有那些分子直徑小于通道直徑的吸附質才能通過通道進入籠內被吸附。因此在沸石內部進行的許多催化具有擇形性[2，3]

另外，沸石還是理想的催化劑載體。

4 沸石去除水中的重金屬離子

4.1 天然沸石去除水中的重金屬離子

天然沸石由于具有良好的吸附性及離子交換性，在去除及回收廢水中的重金屬元素方面得到廣泛的應用。Sabeha Kesraoui Ouki[4，5]等研究了斜發沸石和菱沸石對含有多種重金屬離子的廢水的處理效果，結果表明兩種沸石對Pb2+都有很好的去除能力，對各種離子選擇吸附的順序，菱沸石為：Pb>Cd>Zn>Co>Cu>Ni>Cr；斜發沸石為：Pb>Cu>Cd>Zn>Cr>Co>Ni。離子初始濃度對斜發沸石的吸附效果有較大影響（Pb除外，大部分情況下去除率都在100%），初始濃度為10×10-6時，吸附效果最好。離子濃度對菱沸石的去除效果影響不是很明顯。菱沸石的交換容量大于斜發沸石，主要是由于菱沸石骨架中較多的Si被Al取代，因此骨架負電荷較多，交換容量大，故其對金屬離子的去除率較高。溶液pH值對去除率也有影響，pH值降低，去除率升高?？偟膩碚f，兩種沸石的去除能力并不因為溶液中多種重金屬離子的存在而受到影響，因此在處理含有多種重金屬的廢水方面有很大的應用前景。

S.T.Bosso[6]等人用鈣沸石對水中多種重金屬離子（Pb2+、Cu2+、Zn2+、Ni2+、Co2+和Cd2+）的去除進行了研究。試驗在含有重金屬的水中加入0.5g樣品，室溫下持續攪拌24h。研究表明，鈣沸石對Cu2+具有極大的親和力，吸附量為130×eq/g（溶液pH值=6，Cu2+初始濃度Ci=30mg/L，液固比=200）。

4.2 改性沸石去除水中的重金屬離子

為進一步提高天然沸石的吸附，離子交換等性能。可以對天然沸石進行改性處理。改性后可以明顯提高其孔隙率、表面活性、吸附性能和離子交換性能及交換量。

陳國安采用稀無機酸（HCl、H2SO4、HNO3）改性天然沸石，試驗表明改性后能增強其吸附性能。將改性后天然沸石用于處理Cr6+和Zn2+初始質量濃度皆為17～32mg/L的電鍍廢水，可使出水中重金屬離子Cr6、Zn2+濃度低于國家排放標準，沸石經鹽酸和氯化鈉混合液解吸再生后可重復使用，處理成本為1元/T左右[7].

李曼尼研究了Cl-、F-共存時，NaCl改性的Na型斜發沸石對廢水中Cu2+交換量及廢水深度凈化率的影響規律[8]。實驗結果表明，經NH3Cl預處理，NaCl改性的Na型斜發沸石深度凈化工業廢水中Cu2+時，Cu2+的初始質量濃度為20mg/L和40mg/L時，可以忽略Cl-、F-共存陰離子及其在溫度變化不大時對Na+和Cu2+水熱交換量的影響，廢水Cu2+去除率可達97%以上，而Na型沸石的陽離子交換率僅達8%，因此在工業廢水的治理中Na型斜發沸石有很好的應用價值。

5 應用前景與展望

我國沸石資源豐富，價格低廉，性質優良，所以沸石在水處理領域的應用有著其他礦物質無法比擬的優點。但是，沸石作為一種新型的水處理劑，目前在技術上還不太成熟，而且其吸附特性與其固有的結構有著直接的聯系，因此要真正廣泛應用于實踐還需開展大量工作。

一是尋找將沸石的吸附作用與其他技術相結合處理含重金屬的污染水源的有效方法，利用沸石獨特的特性聯合其他處理工藝，達到各自的優勢互補。二是由于天然沸石種類很多，在實際應用時必須經過實驗合理選用，而且廢水由于來源不同，成分復雜，因而需根據具體情況確定合理的操作條件，通過中試及生產性試驗，探討出沸石處理各種水源的最佳工藝條件，確定運行參數，以實現工廠化工藝水處理。三是必須根據具體情況確定合理的再生方法，使飽和失效的沸石再生，減少資源浪費及避免新的污染。

參考文獻：

[1] Jun Li.Studies on natural STI zeolites，modifition，structure，adsorption and catalysis[J].Microporous Mesoporoua Water，2000（3）：365-378.

[2] Mark E.Davis and Raul F.Lobo.Zeolite and molecular sieve Synthesis[J]. Chem.Mater.1992（4）：756-768.

[3] 閻子峰.納米催化技術[M].北京：化學工業出版社，2003.

[4] Sabeha Kesraoui Ouki and Mark Kavannagh.Performance of natural zeolites for the treatment of mixed metal-contaminated efeluents[J].Waste management & Research，1997（15）：383-394.

[5] S.K.Ouki，M.Kavannagh.Treatment of metals-contaminated wastewaters by use of natural zeolites[J].Wat.Sci.Tech，1999（10-11）：115-122.

[6] S.T.Bosso，J.Enzweiler.Evaluation of heavy metal removal from aqueous solution onto scolecite[J].Water Research，2002（36）：4795-4800.

[7] 陳國安.沸石處理重金屬離子廢水的試驗研究[J].礦產保護與利用，2001（6）：17-19.

[8] 李曼尼，張景林，孟克巴雅爾 等.Cl-、F-陰離子共存在時Na型斜發沸石與廢水中Cu2+交換性能的研究[J].環境科學學報，2001，21（增刊）：93-96.