分子篩在污水處理中的應用研究*

羅五魁，茹晶晶，葉　楠，黃曉輝

(寧德師范學院化學系，福建　寧德　352100)

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分子篩在污水處理中的應用研究*

羅五魁，茹晶晶，葉楠，黃曉輝

(寧德師范學院化學系，福建寧德352100)

水體的污染會嚴重危害人類的身體健康，污水的處理已是人類面臨的重大問題。分子篩對污水中污染物具有較好的吸附能力，且分子篩能再生多次使用，不會產生二次污染，在污水處理中有廣泛的應用。本文概述了生活污水、農業污水及工業污水的來源；闡述了今年來分子篩在處理污水中的重金屬離子、污水中的氨氮、有機污染物及其他污染物的應用情況；并分析了分子篩在污水處理過程中的應用前景。

分子篩；污水；吸附；應用

隨著全球經濟的蓬勃發展，環境污染影響人們正常生活及國家工農業發展。經濟的高速發展使電鍍、印染、采礦、冶金、制革、顏料、電子等企業生產規模快速擴大，而污水的排放量也隨之增加，其加工生產過程中產生的廢液中有些是含有毒物質的，未經任何處理直接排放到河流中嚴重污染了人們生存的水資源，環境問題已經上升為全球極度關注的焦點，也成為衡量一個國家、地區可持續發展程度的重要指標。

目前污水處理的常用方法主要有電解法、離子交換法、化學沉淀法、膜分離法、吸附法、催化降解及生物處理等。其中吸附法是通過吸附劑具有較大的比表面積和較高的表面能，或利用吸附劑表面活性基團與吸附質的鍵合作用將其從水體中去除，以達到分離的方法，由于該方法簡單易行，已得到廣泛應用。

分子篩具有規整的孔道結構、均勻的孔徑尺寸、大的比表面積、大孔體積及吸附容量、可調變的親疏水性及水熱穩定性好等特點，因此分子篩在環保領域中吸附重金屬離子、有機污染物、放射性核素等方面具有較大的應用價值。本文綜述了近年來介孔分子篩用于污水中污染物的應用情況。

1　污水的分類

1.1生活污水

生活污水中含有纖維素、糖類及淀粉等大量有機物；氯化物、硫酸鹽、磷酸鹽、碳酸氫鹽等無機鹽；也常含有病原菌、病毒和寄生蟲卵；生活污水主要是磷、硫及氨氮污染，居民洗衣、廚房清潔使用的洗滌劑、洗衣粉以及新陳代謝所產生的排泄物等都會產生大量氨氮，由此產生的氨氮大部分以無機氨氮和有機氮的形式存在，只有少量的氨氮以亞硝酸鹽氮及硝酸鹽氮的形式存在。

1.2農業污水

種植農作物時使用化肥、農藥等化學藥品，過量使用藥和化肥而只有少量附著或被吸收，其余絕大部分殘留在土壤和漂浮在大氣中，通過降雨，經過地表徑流的沖刷進入地表水和滲入地表水，造成嚴重的水體及土壤的污染。

1.3工業污水

工業污水是指工業生產過程中產生的廢水和廢液，其中含有隨水流失的工業生產用料、中間產物、副產品以及生產過程中產生的污染物，工業污水的危害最大，工業污水所含的污染物因工廠種類不同而不同，即使是同類工廠，因生產過程不同，其污水所含污染物的質和量也不一樣。按污水中所含污染物的主要成分可分為，酸堿污水、含醛污水、含氰污水、含重金屬污水、含酚污水、含油污水、含硫污水、農藥污水、化學工業污水、冶金選礦污水、含有機磷污水和放射性污水等。

2　分子篩在污水處理中的應用

2.1去除污水中重金屬離子

常見的重金屬離子有Pb2+、Cu2+、Cd2+、Hg2+、Ni2+、Cr3+及Zn2+等，這些離子進入生物體內，在體內積累會造成慢性中毒，使生物體發生病變。在自然條件下，水體中的重金屬離子污染物無法自行分解，只是存在形態發生改變或轉移在不同物相中，而且其毒性沒有消除。

分子篩骨架結構中的平衡陽離子在孔穴中與晶格結合力較弱，很容易與溶液中的重金屬進行離子交換反應，因此可利用分子篩的這種特性有效去除廢水中的重金屬離子。

肖萬等[1]用13x分子篩對Ni2+、Pb2+的吸附性能進行了研究，發現當溶液pH為5～8時，Ni2+的去除率可達98%以上；在污水的pH接近中性的條件下，每克沸石凈化含Pb2+廢水的最大體積量約為750 mL。余亮[2]研究了4A 沸石分子篩復合 Fe3O4對Pb2+的吸附性能。結果表明：在溫度為 30 ℃ 的條件下，對pH為 5、初始質量濃度為200 mg/L時對Pb2+去除率可達92.1%。陶紅等[3]用13x分子篩處理含重金屬Pb2+、Zn2+、Cu2+、Cd2+、及Hg2+的污水，實驗結果發現13x分子篩對于這幾種離子的吸附用量雖然比較少，但處理時間短，處理效率高，處理污水的體積大，而且對廢水的pH值適宜范圍寬。

李華偉等[4]合成13x型分子篩并研究了水中Cd2+、Pb2+和Cu2+在分子篩上的吸附行為，實驗結果表明：13x型分子篩對Cd2+、Pb2+和Cu2+具有一定的吸附能力，其對三種離子的最大吸附量分別為2.0 mmol/L、2.47 mmol/L、1.78 mmol/L。

孔德順等[5]利用 NaX 分子篩處理含Cu2+污水，實驗將 NaX 分子篩加入到含 Cu2+的模擬污水中，實驗結果表明：在溫度為 25 ℃，污水pH 約為7，反應時間為 20 min 的條件下，廢水中Cu2+的質量濃度由 46 mg/L 減小到 1.63 mg/L，達到了國家排放標準要求，分子篩經 NaCl 飽和溶液再生以后，吸附作用效果與 NaX 分子篩原粉接近。

閆惠[6]利用粉煤灰制備出了Na 型沸石分子篩， 并研究了其對 Cd2+和Ni2+的吸附能力。結果表明：在25 ℃時，pH 為 6.0、污水質量濃度為100 mg/L，Na型沸石分子篩吸附2 h后對Cd2+和Ni2+的去除率可達 99%。

D. Pérez-Quintanilla等用3-氯丙基三乙氧基硅烷、2-巰基噻唑啉改性MCM-41分子篩，研究了該改性后的分子篩對水體中Hg2+的吸附能力，取得了較好的實驗結果。

張義婕等[7]采用 NaOH 堿熔-水熱法得到改性的斜發沸石，并研究了其對模擬廢水中 Cu2+和Cr3+離子的吸附性能。實驗結果表明：改性沸石與水樣中 Cu2+、Cr3+的質量比分別為 18.75:1、13.33:1 時，對Cu2+和Cr3+的去除率分別達88.0%、87.4%。改性斜發沸石用 NaCl 溶液和 NaCl 溶液加氨水進行再生實驗，可以多次重復使用。彭秀達等[8]利用 13x 分子篩去除污水中的 Cr3+，常溫下在初始質量濃度為 25 mg/L、pH為 5 的條件下，對 Cr3+去除率可達92.2%。

2.2去除污水中氨氮

生活污水未經處理直接排進水體，就會造成水體污染，致使水體中有機污染物提高，好癢菌就會分解有機物，消耗水中含氧量，對生物體構成嚴重威脅。

汪碧容等[9]以介孔分子篩 SBA-15、Rod-SBA-15 為載體，研究分子篩吸附廢水中的氨氮，發現Rod-SBA-15分子篩因具有較大的孔徑與比表面積，對氨氮脫除效率較高，實驗通過測定不同分子篩用量對氨氮的吸附能力，結果表明：分子篩用量為 3 mg/mL，pH 值為 6～7，吸附 20 min時吸附效果最佳。

桂花等[10]采用水熱合成法制備 4A 沸石分子篩，并考察了4A 沸石分子篩用量對氨氮污水吸附性能的影響，結果表明：4 g/L 的 4A 沸石分子篩在污水 pH 值為 4～8 的條件下，對中低濃度的氨氮吸附2 h后，去除率可達88%。

唐登勇等[11]采用NaCl活化后的天然沸石改處理低濃度氨氮污水，研究結果表明：NaCl改性后的沸石具有更為突出的氨氮吸附力，其氨氮脫附率高達95%，而且可以用NaCl與NaOH混合液對其進行脫附再生。楊朗等[12]選用改性沸石處理低濃度氨氮污水，研宄表明：設定實驗流體流速5 mL/min，運行1500 min 后水體中氨氮含量低于5 mg/L。

T C Jorgensen等研究發現，斜發沸石去除污水中氨氮的同時，對污水中的有機物也有一定的去除效果，且污水中有機物的能提高沸石對氨離子的吸附量。

2.3去除水中其他有害物

分子篩還可去除水體中酚及油類、脫色、降氟污染物及放射性物質。有研究者用沸石床模擬吸附滇池暴雨徑流中磷的實驗中，在前 16 h 磷的去除率均達到 50%。

阮芳[13]用焙燒、酸堿溶液處理等方式活化處理沸石分子篩，并研究了其吸附甲基橙的效果，結果表明：經 HCl處理后的沸石對甲基橙的脫色率達 68.7%，對沸石分子篩進一步負載 TiO2后，平衡吸附時間可達1.5 h，沸石分子篩再生性也較好。

潘健民等[14]以模擬陽離子紅 6BH 染料廢水為研究對象，考察了MCM-48介孔分子篩對陽離子紅 6BH 處理效果，結果表明：溫度為30 ℃、pH 值為10、MCM-48分子篩的投加量為3 g/L、振蕩時間為1 h 的條件下，該分子篩對陽離子紅 6BH 染料污水的脫色率和去除率達到93%以上。

王豪等[15]以 β、ZSM-5、Y型分子篩為吸附劑處理含聚廢水，結果表明：H-β 分子篩對 PAM 的吸附是依靠分子篩中陽離子與 PAM 中陰離子的靜電作用，SiO2/Al2O3為26 的H-β 分子篩對濃度為 200 mg/L 溶液中的PAM 脫除率可達95.2%。

邵一敏等[16]采用水熱法合成了 MCM-41分子篩、采用等體積浸漬法合成了 Ni/MCM-41分子篩，并研究了兩種分子篩對水體中甲基藍的去除能力，結果表明：在25 ℃的條件下，加入20 mg Ni/MCM-41分子篩，在 pH為6.32時吸附處理50 mg·L-1甲基藍，當反應 2 h后，Ni/MCM-41 對甲基藍吸附量為36.85 mg·g-1，是 MCM-41分子篩對甲基藍處理能力的7.1倍。

劉詠等[17]合成了以 Y 分子篩為載體的 Mn-RE 復合催化劑，構建 Mn-RE 多相催化電解氧化體系處理人工模擬苯酚污水。研究表明：Mn-RE/Y 分子篩在陰極和陽極的同時催化氧化作用強化了含酚污水的降解效果，Mn-RE 復合分子篩對含酚污水具有一定的處理效果。

南小英等[18]以四丙基溴化銨為模板劑合成 ZSM-5 分子篩，研究了 ZSM-5 分子篩、鐵屑和鐵屑/ZSM-5 分子篩對染料污水的處理能力。研究結果表明：鐵屑/ZSM-5 分子篩聯合處理染料污水的效果優于 ZSM-5 分子篩，在鐵屑投加量 50 g/L，ZSM-5分子篩投加量為 4 g/L，pH 值為 6，反應1 h 條件下，鐵屑/ZSM-5 分子篩對活性艷蘭染料污水的脫色率可達到 99.05%。

Benhamou A等[19]通過對 MCM-41 分子篩擴孔處理，并分別使用十二烷基二甲基叔胺、月桂胺、十六胺進行氨基功能化，對鉻酸根最大吸附量分別為 134.6 mg/g、159.2 mg/g、184.6 mg/g；對砷酸根最大吸附量分別為 95.2 mg/g、119.6 mg/g、86.5 mg/g，與 MCM-41 分子篩對其吸附量相比，提高了 5～10 倍。

陶紅等[3]用13x分子篩模擬吸附水體中的苯胺，結果表明：合成的13X分子篩處理水中的苯胺不僅吸附效果好，為處理實際含苯胺廢水提供了依據。王子波等[20]采用干膠法合成納米 Silicalite-2 分子篩，研究了分子篩吸附對硝基苯酚的性能。結果表明，在25 ℃、溶液 pH 為 4 時，50 mg 的 Silicalite-2 分子篩吸附對硝基苯酚為 80.22 mg/g，弱酸性條件下，有利于吸附水溶液中對硝基苯酚。Ilhan 等研究了MCM-殼聚糖對印染工業廢水中產生的有機污染物偶氮染料橙黃、活性艷藍和結晶紫的吸附情況。

分子篩還應用于污水中有機硫化物、二甲苯異構物、四環素及1,3-丙二醇等的吸附分離和脫除。負載納米TiO2的分子篩，能夠光催化降解農藥、酚類、印染廢水中的染料，造紙廢水中的甲基橙等多種有機污染物，將其氧化為 CO2和 H2O。

3　結　語

分子篩是一種對環境友好的凈化污水的無機材料，具有可調的孔徑，吸附速率快且吸附量比較大，更是一種能夠循環利用的高效凈化吸附劑，具有價格低廉、易再生、無二次環境污染等特點，可產生良好的經濟和環境效益。水環境不容污染，設計合成更加有效的分子篩，制備高效吸附分子篩材料，使其具有較高的再生循環利用能力，降低材料消耗及生產成本，針對性的吸附水體中污染物，提高對吸附物的選擇性及吸附量，讓分子篩在污水處理中發揮更加有效的作用。

[1]肖萬,馬鴻文,楊靜,等. 13x沸石對Ni2+吸附性能的實驗研究[J].地球科學-中國地質大學學報， 2003, 28(1):21-25.

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Study on the Application of Molecular Sieve in Wastewater Treatment*

LUOWu-kui,RUJing-jing,YENan,HUANGXiao-hui

(Department of Chemistry，Ningde Normal University，Fujian Ningde 352100，China)

Water pollution will seriously endanger human health, wastewater treatment is the major problem facing humanity. Molecular sieve has better adsorption capacity of pollutants in wastewater and the molecular sieve can be regenerated for several times, and does not cause secondary pollution, is widely used in the wastewater treatment. The sources of domestic wastewater, agricultural wastewater and industrial wastewater were summarized. The molecular sieve for the adsorption of pollutants of heavy metal ions, ammonia nitrogen, organic pollutants and other pollutants in the wastewater treatment was discussed, the development and preview were pointed out.

molecular sieve； wastewater； adsorption；application

福建省教育廳中青年項目(JB14124)；寧德市科技局項目(20130132、20140163)；寧德師范學院服務閩東項目(2013F08)。

羅五魁(1982-)，男，碩士，實驗師，主要從事分子篩催化及應用研究。

X703.1

A

1001-9677(2016)08-0018-03