沸石的性能及其在水处理中的应用

1、文章编号:1009-3443(200104-0074-04沸石的性能及其在水处理中的应用王秀春丁志斌都的箭(解放军理工大学工程兵工程学院 江苏南京210007摘要:论述了沸石的吸附性和离子交换性 讨论了沸石在水处理中的应用:软化硬水降低氟含量消除水中的放射性物质除去和回收水中的重金属离子消除废水中的氨氮和磷及用于海水淡化等O关键词:沸石9水处理9应用中图分类号:X 52文献标识码:AZeol i te Pr oper ti eS i n Water Tr eatm en tWANG Xi - nD1NG Z i -binDU Di -jian(Engineering Institute of

2、Engineering Corps PLA Univ .of sci .S Tech . Nanjing 210007 China AbStr aCt :This article is concerned with the absorption and ion exchange of Zeolites .The applications of Zeolites in water treatment are reviewed including softening water reducing fluorides removing radioac-tive water removing and

3、recovering heavy metals from wastewater removing of ammonia and phosphate from wastewater and sea water desalination .K ey Wor dS :Zeolite 9water treatment 9application 收稿日期:2001-06-07.作者简介:王秀春(1972- 女 讲师.1756年 瑞典矿物学家Cronsted 等1发现了自然界中沸石的存在 但是直到五六十年代 以美国UCC 公司为代表研究成功沸石晶体的水热合成工艺之后 才开始广泛利用这种矿物O 目前 它已被

4、广泛的应用于日用化工环境保护石油加工等领域O 本文对沸石的吸附性能和离子交换性及其在水处理中的应用研究作一详细介绍O1沸石的结构和性能1.1沸石的结构特征沸石的最基本构成单元是硅氧四面体(si O 4和铝氧四面体(Al O 42 3在平面内表示为图1 硅氧四面体通过共用所有氧而相互连结在一起(如图2所示O沸石分子式一般可表示为M 2/n O -Al 2O 3 -图1单元结构F ig .1Unit structure图2结构F ig .2structure第2卷第4期2001年S 月解放军理工大学学报(自然科学版J ournal of PLA University of science and

5、TechnologyV ol.2No.4Aug.2001XSio Z YH Z o其中f为阳离子M的化合价O沸石的结构可分为3个部分:铝硅酸盐格架;格架中相互连接的孔隙(孔道或空穴;在孔道或空穴中的阳离子和水分子O沸石的这种特殊结构决定了其具有吸附性扩散性离子交换性和催化性等O因此它是一种优良的吸附剂离子交换剂和催化剂O1.2沸石的吸附性能沸石不同于一般常用的固体吸附剂(如硅胶活性碳等沸石有两个显著的特点:沸石的选择性吸附和离效率吸附O(1选择性吸附在一般情况下沸石的中心大空穴和孔道都充满水分子这些水分子围绕可交换阳离子形成水化球通常在35OC或4OOC下加热数小时或更长时间沸石将失去水分O这

6、时有效直径小到足以通过孔道的分子将易于被沸石吸附在脱水孔道和中心空穴中而直径过大无法进入孔道的分子将被排斥这就是人们所熟知的分子筛的筛分能力O另外分子筛对分子的极性大小具有选择作用极性越大可越容易被极化的物质就越容易被吸附O(Z高效吸附沸石具有高效吸附性特别是对水氨硫化氢二氧化碳等分子具有很强的亲合力O1.3沸石的离子交换性能离子交换性能是沸石的另外一个重要性能O沸石的离子交换一般是在水溶液中进行的其反应可用下式表示:Na(Z+M(S=M(Z+Na(S式中Z表示沸石相S表示溶液相M(S是溶液中取代沸石钠离子(Na(Z的交换离子O沸石的离子交换性能主要与沸石结构中的硅铝比的高低沸石孔穴的大小阳离

7、子位置以及阳离子的性质有关O沸石中阳离子是由于沸石中部分硅被铝置换后产生不平衡电荷而进入的因此硅铝比高则铝氧四面体所形成的负电荷少格架电荷亦低为平衡这些电荷而进入沸石中的阳离子也少因此影响离子交换O沸石孔穴小影响构型大的离子进行交换O对于不同的阳离子位置和不同的阳离子性质离子交换能力也不一样O常见的天然沸石斜发沸石和丝光沸石等都具有很高的阳离子交换容量O斜发沸石的理论交换容量为O.Z13mOl/1OO g丝光沸石的理论交换容量为O.Z Z3mOl/1OO g O通过交换改进了沸石的吸附和催化性能从而得到了更广泛的应用O2沸石在水处理方面的应用2.1软化硬水利用天然沸石可以作软化硬水的预处理O如

8、某厂家利用独石口天然沸石进行软化水的试验取得良好效果4O若天然沸石改型后作为离子交换剂可用于硬水的软化处理O改型后的沸石对钙镁离子的交换能力有明显提高使水质达到或超过一般工业生产和取暖锅炉用水标准O沸石的交换能力达Z8O 34O mOl/m3O2.2降低氟含量我国高氟地区水的氟含量严重超标高氟严重危害了人们的身体健康O刘文质等5人应用Z O4O目斜发沸石制作了除氟吸附过滤器在氟病区进行试验处理后不仅含氟量降低了而且浊度铁汞总硬度都得到了一定程度的改善如表1O表1原水的各项含量与经除氟吸附过滤器处理后的各项含量Tab.1Indexes of raw water and water f rom t

9、he f ilter of removing f luorides项目原水含量处理后水样含氟量31O mg/l O.5O.8mg/l铁O.O1O.OZ mg/l O.OOO.O1mg/l汞O.OOO.OZ ug/l O.OOO.O1umg/l浊度Z5度O度硬度19OZ13mg/l16OZ O5mg/l经处理后含氟量符合国家规定的饮用水标准(F1mg/lO同时估算处理费用为每立方米 O.5元O2.3除去和回收水中的重金属离子通常将比重在5以上的金属称为重金属O冶炼厂有色金属矿山等化学工业部门所排放的含重金属阳离子的废水造成环境污染对人体产生极大危害O试验表明丝光沸石和斜发沸石对于消除重金属离子的

10、效果较佳O特别是用碱处理过的沸石其吸附量可以得到大大提高O用O.O5mOl/LH 可浓缩回收吸附的重金属离子用NaoH溶液可使沸石再生O当pH值大于4时经沸石处理的污水即可消除57第4期王秀春等:沸石的性能及其在水处理中的应用污染在除砷方面已取得出了较好的效果有人对不同产地的斜发沸石进行了研究6发现对砷具有较大吸附力的是格鲁吉亚共和国捷格维和捷扎米产的斜发沸石吸砷量为0.210.22mg/g2.消除水中的放射性物质利用沸石的离子交换性能可消除水中的放射性137CS和90Sr而且交换了137CS的沸石可原封不动地作为放射源使用斜发沸石和丝光沸石就有极好的交换能力为了不使放射性物质扩散污染通过熔化

11、沸石可使放射性离子长久固定在沸石晶格内因为熔化沸石的小片溶解作用进行是极慢的失去1%的放射性物质需要500年国外试验证明:当含低放射性废液通水容量比值达到5000 它对137CS仍有99%的除去能力我国北京师大化学系放射化研究室也用天然沸石对137CS的交换性能进行试验在模拟1mOl/LHNO3介质的强放射性废水中137CS 的回收率达96%另据报导核工业部已将天然沸石应用于原子能领域进行放射性废水处理72.5处理城市污水和地下水利用丝光沸石吸附工艺可以生产富氧空气日本琦玉县所泽市污水处理厂8利用投送活化污染工艺代替原来的空气活化污染工艺生产富氧空气富氧装置主要由3个吸附塔组成每个塔充填天然丝

12、光沸石5.9m生产能力为120m/h氧气浓度为85%90%新工艺的优点是设备占地面积小因为不需要沉降池和其它设备;其次是运转过程没有噪声也不散发令人不快的气味我国国家非金属矿资源综合利用工程技术研究中心已在实验室开发成功一种新型的LSX富氧分子筛产品72.6消除废水中的氨氮和磷废水中氨氮和磷含量过多会引起水的富营养化导致藻类的过量繁殖造成水体污浊和鱼类死亡的公害因此引起水质恶化同时氨氮的耗氧特性会使水体的溶解氧降低而且当水体的PH值较高时氨对鱼类等水生物具有毒性利用天然沸石去除城市废水或工业废水中的氨氮在国内外获得了较为广泛的研究其反应原理为:Z-M+NH+4=Z-NH+4+M+式中:Z-为沸

13、石M+为沸石中的金属离子其交换容量取决于沸石矿中沸石含量反应温度及溶液的PH值一般交换容量随温度的升高而增大随交换溶液的PH值的增加而加大但因碱性溶液对沸石吸附不利因此以PH 7.5为宜Ciambelli等9人利用PhliPSite沸石从城市废水中去除氨研究了利用沸石去除氨的离子交换能力实验结果表明:该沸石能有效去除城市废水中95%的氨出水中铵离子浓度低于有关排放标准韩惠如10进行了含铵废水的研究实验对象为天津同化工厂钛酸钡生产过程中产生的洗涤废水试验装置为三级串联的沸石过滤柱沸石量为600g吸附温度为21C含铵废水的流速为17m/h铵含量为300400mg/l吸附开始时排出的净化液中铵含量几

14、乎为0 由此可见沸石对铵的强吸附能力;随后随着含铵废水通过量的不断增加净化液中的铵含量缓慢上升当通量达30500ml/h时净化液的铵含量为14.98mg/l(国家标准为15mg/L李德生等11研制的生物沸石反应器能高效的除去水中的NH3N NO2N等生物沸石反应器是以通过特定处理的颗粒沸石作为生物载体的一种固定生物膜处理装置处理效果好如表2 表2生物沸石预处理生物活性炭预处理和生物陶粒预处理对主要污染物指标的去除率比(mg-L-l Tab.2The comparasion of removal ef f iciency in the raw water f rom Bio-zeolite re

15、action bio-activated car-bon and bio-ceramsite process项目NH3N NO2N 水源水 1.8470.189生物沸石反应器0.177(90.40.012(93.4生物活性炭反应器0.218(88.20.011(94.0生物陶粒的反应器0.223(87.90.011(94.0注:括号内数据为去除效率(%2.7用于海水淡化利用沸石的交换能力人工合成的银离子交换沸石加少许活性碳等物质制成化学脱盐剂使海水脱盐其主要成分为银式泡沸石因为价格较贵所以目前只限用于军队紧急救生用脱盐剂作用原理12是:沸石是一种无机离子交换树脂它具有交换阳离子的能力银离子能与

16、氯离子反应生成氯化银沉淀因此银式泡沸石能去除氯钠钙镁离子;氢型强酸性阳离子交换树脂也能去除钠钙镁等离子;氢氧化钡的作用是除去镁硫酸根离子这些作用如下列反应式所示:AgZ(银式泡沸石+Na+(或Ca2+Mg2+Cl-NaZ+AgCl67解放军理工大学学报(自然科学版第2卷Ba (OH Z +Mg Z +SO Z4 Mg (OH Z #+BaSO 4#通过上述反应 海水中的主要成份(Na +Ca Z +Mg Z +ClSO Z4等离子都成为不溶性的沉淀物 这些沉淀物经过滤装置分离除去后 滤过水便是可供饮用的淡水3结束语沸石是一种天然矿物 价格低 易获得 且具有优良的吸附性能和离子交换性能 随着对沸

17、石研究的深入 在未来的发展中 尤其在水处理方面将有着更广阔的前景 参考文献:1张铨昌 杨华蕊 韩成.天然沸石离子换性能及其应用M .北京:科学出版社 1986.Z 徐如人 庞文琴 屠昆岗 等.沸石分子筛的结构与合成M .吉林:吉林大学出版社 1986.3DAVIS M E .Zeolite and molecular sieve synthesisJ .Chem Mater 199Z 4(4:756-758.4王志坚.利用独石口天然沸石软化水的试验J .水处理技术 1988 14(3:167-169.5刘文质.饮用水沸石除氟J .水处理技术 1995 Z 1(3:166.6印海泽.深度净化工业

18、污水中的砷J .国外环境科学技术 1988(5:9-11.7胡宏杰.沸石分子筛的制备与应用J .矿产保护与利用 1998(5:1O-11.8CULB .城市污水高级处理手册M .张中和译.南京:中国建工出版社 1988.9Ciambelli P .Zeolites :synthesis structure techno -logy and application M .American :Elsevier Sci -ence Publishers 1985.1O韩惠如.利用天然沸石处理含铵废水的工艺研究J .工业水处理 1997 17(5:33.11李德生 黄晓东 王占生.生物沸石反应器在微污

19、染水源水处理中的应用J .环境科学 Z OOO Z 1(5:71.1Z 王俊鹤.海水淡化M .北京:科学出版社 1976.(责任编辑:熊云 简讯解放军理工大学科研成果简介(一无线数据通信系统无线通信尤其是短波通信具有许多独特优点 如:能远距离通信及移动通信 其设备简单使用方便机动灵活成本低廉等 一直是一种重要的通信手段 但无线信道是一具有严重时变色散性的变参信道 时间衰落多普勒频移及多径传输造成了信号在时频空三维空间中的严重扩展 影响了数据在无线信道中传输的有效性和可靠性 理工大学通信工程学院经过多年的艰苦努力 成功研制了系列无线数据调制解调器;其中包括信息速率达96OO bit /s 超短波

20、调制解调器信息速率达Z 4OO bit /s 短波并行高速调制解调器及信息速率达48OO bit /s 短波串并行高速调制解调器 这些高速调制解调器还具有网络功能 根据不同要求可方便地组成各种无线数据通信系统 无线数据通信系统可用于气象林业煤矿水利等各个领域;它具有信息传递快可靠等特点 基本性能和国外同类产品相同 且功能强于国外同类产品 而价格仅为国外同类产品的六分之一左右 具有良好的社会效益和经济效益 以年度销售3OOO 台计算 与国外进口相比 每台可节约5万元人民币 共可为国家节约1亿5OOO 万元人民币(解放军理工大学科研部 王征77第4期王秀春 等:沸石的性能及其在水处理中的应用 沸石

21、的性能及其在水处理中的应用作者:王秀春, 丁志斌, 都的箭作者单位:解放军理工大学工程兵工程学院,刊名: 解放军理工大学学报(自然科学版英文刊名:JOURNAL OF PLA UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLGOY年,卷(期:2001,2(4被引用次数:30次参考文献(10条1.徐如人;庞文琴;屠昆岗沸石分子筛的结构与合成 19862.张铨昌;杨华蕊;韩成天然沸石离子换性能及其应用 19863.王俊鹤海水淡化 19764.李德生;黄晓东;王占生生物沸石反应器在微污染水源水处理中的应用期刊论文-环境科学 2000(055.韩惠如利用天然沸石处理含铵废水的工艺研究

22、 1997(056.CULB;张中和城市污水高级处理手册 19887.胡宏杰沸石分子筛的制备与应用期刊论文-矿产保护与利用 1998(058.印海泽深度净化工业污水中的砷 1988(059.刘文质饮用水沸石除氟期刊论文-水处理技术 1995(0310.王志坚利用独石口天然沸石软化水的试验期刊论文-水处理技术 1988(03本文读者也读过(9条1.高俊敏.郑泽根.王琰.豆俊峰.GAO Jun-min.ZHEN Ze-gen.WANG Yan.DOU Jun-feng沸石在水处理中的应用期刊论文-重庆建筑大学学报2001,23(12.李曼尼.刘晓飞.江雅新.杨睿媛.吴瑞凤.LI Man-ni.LI

23、U Xiao-fei.JIANG Ya-xin.YANG Rui-yuan.WU Rui-feng改性斜发沸石在水处理中的应用期刊论文-环境化学2007,26(13.崔丹.Cui Dan沸石在水处理中的应用与展望期刊论文-市政技术2008,26(14.成官文.吴志超.章非娟生物沸石及其特性研究会议论文-20065.陈彬.吴志超.Chen Bin.Wu Zhichao沸石在水处理中的应用期刊论文-工业水处理2006,26(86.廖戎.毛羽.孙波.万静.岑贵俐硬水软化两性树脂的合成与性能研究期刊论文-西南民族学院学报(自然科学版2003,29(27.丁磊.DING Lei沸石在水处理中的应用理论及

24、实践期刊论文-环境技术2005,23(28.冯岩.于衍真.邱立平.FENG Yan.YU Yan-zhen.QIU Li-ping新型环境友好材料沸石在水处理中的应用期刊论文-工业安全与环保2007,33(39.戚洪彬.马鸿文.陶林13X沸石用于硬水软化的研究期刊论文-中国矿业2003,12(11引证文献(31条1.范会勇沸石在水处理中的应用期刊论文-广西轻工业 2011(12.赵玉华.李洋洋.王成雨.刑雷.董瑞蛟.魏志宇沸石对偶氮染料废水活性污泥混合液性能的影响期刊论文-沈阳建筑大学学报(自然科学版 2010(23.颜克松.战大伟.王巍.安宁.王军民一次性使用速效止血包对小型猪止血疗效试验观

25、察期刊论文-中国畜牧兽医 2010(64.陈方明方沸石的改性及其对含氟水的处理期刊论文-矿产保护与利用 2010(45.陈方明 方沸石的改性及其对硫酸盐水的处理期刊论文-化工矿物与加工 2009(9 6.付芳 无机离子交换剂的制备及其交换性能研究期刊论文-科技情报开发与经济 2009(16 7.王琼.孟庆俊 不同填料在废水处理中的应用期刊论文-环保科技 2009(1 8.李洋洋.赵玉华.杨健.王成雨.邢雷.董瑞蛟 沸石对MBR膜过滤阻力的影响及其脱色效果研究期刊论文-中国给 水排水 2008(7 9.张冬梅.王承智.黄相国 天然沸石及其应用进展研究期刊论文-环境保护科学 2008(1 10.冯少清.陈绍宗.李学拥.司徒镇强 止血用ZSM-5沸石的细胞毒性评价期刊论文-西北国防医学杂志 2007(2 11.王佳蕾.赵地顺.陈娟.赵莹.张志刚 沸石的性能及在废水治理中的应用期刊论文-河北化工 2007(4 12.陈月芳.宋存义.汪翠萍 沸石复合填料生物流化床在污水处理中的试验期刊论文-中国环境科学 2006(4 13.毕宏达.李学拥.王玉.卢宝华.李靖.李跃军.陈绍宗 沸石对猪血管损伤止血的作用及对组织影响的初步研究 期刊论文-第四军医大学学报 2006(9 14.陈月芳.宋存