堿改性對沸石交換性能的影響

(哈爾濱商業大學食品工程學院環境工程系，哈爾濱 150076)

0 引 言

沸石(Zeolite)，是沸石族礦物的總稱，是一種含水的堿金屬或堿土金屬的鋁硅酸礦物[1]。對比傳統活性法生物脫氮工藝，沸石去除氨氮具有效果好，節約曝氣能耗等優點[2-3]。大量研究表明，采用無機堿等對沸石進行改性預處理可以在一定程度上改善其交換性能[4-5]。一般來說，對沸石進行改性處理主要有兩個目的：一是去除沸石表面和微孔道內的有機或無機雜質，提高單位重量沸石的交換能力，并加快交換速率；二是對沸石內部的陽離子進行重整，改善離子交換性能，降低水處理的能耗[6-8]。文中采用天然沸石進行改性，考察NaOH、KOH和飽和Ca(OH)2三種不同的堿液對沸石進行改性，考察溫度、加熱時間、改性操作次數等因素對沸石堿改性后交換性能的影響。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗方法

稱取一定量的沸石樣品放入一定體積1 mol/L的NaOH、KOH和飽和Ca(OH)2堿溶液，置于恒溫電爐上加熱，傾去渾濁液并用蒸餾水洗滌兩次，并置于恒溫干燥箱中烘干，冷卻，然后再將沸石加入到等體積等濃度預熱的溶液中，反復操作數次后置于烘箱干燥備用。

沸石的吸附容量測定方法如下：

稱取30 g相同粒徑沸石放入500 mL錐形瓶中，加入所配制的10 g/LNH3-N(C0)的NH4Cl溶液200 mL，置恒溫水浴振蕩器中于25 ℃下振蕩，使氨氮在液相和沸石固相間分配達到平衡，72h后取出樣品靜置15 min，取上清液測定NH3-N平衡濃度(Ce)，計算沸石對NH3-N的吸附容量(mg/g)，其計算公式如下：

Q= (C0- Ce)×V/m

(1)

式中,C0為NH4Cl溶液起始濃度，mg/L；Ce為吸附后NH4Cl溶液平衡濃度，mg/L；V為溶液體積，L；m為沸石重量，g。

1.2 實驗水質

實驗水質，見表1。

表1實驗用水水質范圍

1.3 分析項目與方法

實驗分析項目與方法見表2。

表2分析項目及方法

2 實驗結果與分析

2.1 溫度的影響

溫度是影響改性效果的重要因素之一，不同操作溫度對沸石改性效果的影響如圖1所示。每次加熱時間為1h，重復加熱操作3次。

從圖1中可以看出，Ca(OH)2的隨著溫度的升高，沸石交換容量提升較快，改性效果好。而KOH和NaOH隨著溫度的升高，提升的效果不明顯。當改性溫度達到100 ℃時候，對比改性前的沸石，NaOH改性沸石和KOH改性沸石分別增加了35%和39 %，Ca(OH)2增加60%。從圖1中可看出，加熱的溫度選擇在80～100 ℃較為合適。

圖1溫度對沸石堿改性效果的影響

2.2 加熱時間的影響

加熱時間是影響沸石改性效果的另一個重要因素，適當延長加熱時間可提高改性效果。但是如果加熱時間過長，沸石的骨架結構受到破壞，交換容量會降低。加熱溫度設定為90 ℃，重復加熱操作3次。考察了不同加熱時間時沸石的改性效果，結果如圖2所示。

圖2加熱時間對沸石堿改性效果的影響

從圖2中可以看出，采用三種堿溶液改性均有不同程度的改性效果，其中Ca(OH)2的改性效果最好，KOH次之，NaOH提升的效果最差。同時改性效果隨加熱時間的延長，改性后沸石的交換容量相應上升。加熱時間為0～60 min時，沸石交換容量的增幅較大，當加熱時間90 min以后，沸石交換容量上升幅度比較平緩，因此，從圖2中可看出，加熱時間選擇60～90 min較為合適。

2.3 改性操作次數的影響

每次改性操作使用的改性液均為新配制的，在一定程度上避免了沸石中被交換出的陽離子重新返回沸石的情況。改性操作次數的影響，如圖3所示。

圖3改性操作次數對沸石堿改性效果的影響

從圖3中可以看出，適當增加改性的操作次數(1～8次)，可以提高改性沸石的交換容量，有利于沸石的改性，但如果改性次數增加過多(8～10次)，會導致沸石的結構部分損壞，從而不利于沸石的交換容量的提升。同時圖3中隨改性操作次數的增大，交換容量迅速上升，但Ca(OH)2改性超過8次后，沸石交換容量反而迅速降低。NaOH和KOH堿改性操作超過8次后，沸石交換容量均有略微下降。因此最佳的改性操作次數為8次。

3 結束語

采用NaOH、KOH和飽和Ca(OH)2三種不同的堿液對沸石進行改性，考察了溫度、加熱時間、改性操作次數的對沸石堿改性效果的影響，結果如下：

(1)隨著溫度的升高，堿改性沸石交換容量提升較快，改性效果好。而KOH和NaOH隨著溫度的升高，提升的效果不明顯。當改性溫度達到100 ℃時候，對比改性前的沸石，NaOH改性沸石和KOH改性沸石分別增加了35%和39 %，Ca(OH)2增加60%。加熱的最佳溫度為80～100 ℃。

(2)加熱時間為0～60 min時，堿改性后沸石交換容量的增幅較大，當加熱時間90 min以后，沸石交換容量上升幅度比較平緩，加熱時間選擇60～90 min較為合適。

(3)適當增加改性的操作次數(1～8次)，可以提高堿改性沸石的交換容量，有利于沸石的改性，但改性次數增加過多(8～10次)，會導致沸石的結構部分損壞，從而不利于沸石的交換容量的提升。最佳的改性操作次數為8次。