張洪源(天津職業(yè)大學(xué)，天津 300410)

0 引言

沸石作為一種礦石，其最早是由瑞典科學(xué)家Axel Fredrik所發(fā)現(xiàn)的，沸石內(nèi)部含有的硅鋁酸鹽、堿類物質(zhì)在一定條件的高溫下，將產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象，且沸石本身具有的分離性、吸附性、導(dǎo)電性等特點(diǎn)，令其在化工領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域中具有較高的應(yīng)用價值。經(jīng)過諸多學(xué)者的研究及工業(yè)企業(yè)的實(shí)踐，沸石在污水處理中具有較大的應(yīng)用價值，特別是在近年來水污染日益嚴(yán)重的情況下，利用沸石替代傳統(tǒng)的活性炭吸附工藝，可有效節(jié)約污水處理成本[1]。此外，沸石可進(jìn)行循環(huán)利用，通過分子結(jié)構(gòu)的交換特性，可有效實(shí)現(xiàn)沸石的再生，其對于現(xiàn)階段污水處理來講，不僅可對水污染起到防控作用，在一定程度上，還可為水污染治理技術(shù)提供新的發(fā)展方向。

1 沸石結(jié)構(gòu)特性解析

沸石作為以硅鋁酸鹽為主的礦物質(zhì)，其微觀結(jié)構(gòu)為如圖1所示的四面體結(jié)構(gòu)，其中四個氧原子圍繞在硅原子周圍，形成四面體構(gòu)型，硅原子處于四個氧原子中央與四個氧原子以化學(xué)鍵相連。

圖1 沸石的結(jié)構(gòu)

沸石作為孔狀、中空簇架狀結(jié)構(gòu)的多孔性材料，其內(nèi)部含有堿類化合物、硅酸鹽類化合物等，這類物質(zhì)形成一種基于空間狀的孔位形態(tài)，保證分子結(jié)構(gòu)的傳輸通道是以多維形式存在的。天然沸石所具備的結(jié)構(gòu)特性，其表面積比值較大，孔徑之間的距離排列也較為均勻，在作用于水體中時，孔位間的均勻分布模式將產(chǎn)生超孔效應(yīng)，且分子結(jié)構(gòu)之間呈現(xiàn)出電荷耦合效應(yīng)，因此沸石顯示出一定的靜電效應(yīng)，令沸石外部產(chǎn)生一個電磁場。當(dāng)沸石內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)空隙被外界水體物質(zhì)填滿時，則其產(chǎn)生的陰離子將自動與陽離子相抵消，一旦外界物質(zhì)的侵襲與沸石物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)時，且此類反應(yīng)載體是建立在大孔徑的分子結(jié)構(gòu)上來實(shí)現(xiàn)的，在一定程度上，將加快反應(yīng)效率，且反應(yīng)生成物充滿分子結(jié)構(gòu)空間時，將自動向外溢出。此類反應(yīng)物的溢出是不會破壞沸石內(nèi)的晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可以穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)催化作用、吸附效用等，令沸石物質(zhì)在反應(yīng)中可充當(dāng)載體的作用。

2 沸石在水處理中的應(yīng)用

2.1 有機(jī)污染物的處理

水體污染中有機(jī)物是常見的污染形式。沸石在對有機(jī)污染物進(jìn)行處理時，主要是通過自身的吸附功能，對含有極性有機(jī)化合物分子進(jìn)行吸收，當(dāng)然，此類吸附效率是由極性分子的大小所決定的，由于沸石本身的分子結(jié)構(gòu)屬于定性化，在吸收過程中只能對小于分子結(jié)構(gòu)的極性有機(jī)分子進(jìn)行吸收，當(dāng)極性有機(jī)物分子粒徑越大，則越不容易被吸收。但有機(jī)物污染物中含有極性基團(tuán)的分子時，則可在沸石表面發(fā)生強(qiáng)烈的吸附反應(yīng)，例如CH2Cl2、CHCl3、C2H3Cl3等，均可將沸石表面作為反應(yīng)載體，以提高實(shí)際吸附效率。例如，在對天然水中的氯化物成分進(jìn)行去除時，通過將具有芳香族結(jié)構(gòu)的分子進(jìn)行吸收，可有效起到水體過濾的作用。通過不斷的實(shí)踐認(rèn)證，我國科學(xué)家將天然沸石應(yīng)用到呈現(xiàn)出有色有機(jī)物的自然水中，然后通過控制水體內(nèi)部的聚合物，以達(dá)到苯胺凈化的效用。

2.2 氨氮污染物的處理

水體中氨氮物質(zhì)的含量超出基準(zhǔn)值時，則將產(chǎn)生富營養(yǎng)化的現(xiàn)象，進(jìn)而為水體中藻類物質(zhì)的生長提供有利環(huán)境，當(dāng)藻類物質(zhì)大量聚集時，將產(chǎn)生嚴(yán)重的水華現(xiàn)象，吸取水體中的營養(yǎng)，令其它植物、生物所處的生態(tài)環(huán)境遭到破壞。此外，水體中由氨氮含量超標(biāo)還將催發(fā)出各類水體微生物，對整個供水管道造成一定的侵蝕影響。通過將沸石作為水體清理載體，依托于分子交換功能，可有效去除水體中具有陽離子屬性的氨物質(zhì)[2]，同時也可為沸石提供一定的再生功能。沸石在進(jìn)行水體凈化時，由于內(nèi)部陽離子粒徑存在一定的差異性，導(dǎo)致沸石在進(jìn)行交換時存在一定的順位特性。通過理論與實(shí)踐的不斷驗(yàn)證，利用天然沸石對水體進(jìn)行去污處理時，其中效果最為顯著的則是斜發(fā)沸石，經(jīng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，利用斜發(fā)沸石在水體中進(jìn)行等離子交換，對氨氮物質(zhì)的去除率高達(dá)94%。但斜發(fā)沸石在實(shí)際應(yīng)用過程中，受其它類制約因素比較大，例如水體酸堿度、沸石體積大小、水體溫度值、氨氮含量比值等，為此，要想保證整個去除效率可達(dá)到最大值，則必須對整個反應(yīng)環(huán)境進(jìn)行分析與測定，以分析出沸石處理的最佳效果。

2.3 降氟處理

高氟水是指水體中氟元素含量超出1.0mg/L。氟屬于一種非金屬元素，其化學(xué)性質(zhì)較為活潑，其并不能以單體元素的形式穩(wěn)定的存在于自然環(huán)境中，而是通過和其它元素形成化合物，來降低氟元素的化學(xué)活潑性。水體中所含氟主要是氟化合物，氟以離子狀態(tài)存在。當(dāng)水體中的氟元素含量超標(biāo)時，人們?nèi)绻L期飲用，將產(chǎn)生一種慢性中毒的現(xiàn)象，例如以氟斑牙、氟骨癥等。在對含氟水體進(jìn)行凈化處理時，傳統(tǒng)的凈化技術(shù)在具體落實(shí)中存在局限性問題，難以形成范圍性的推廣。沸石在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于本身所具有的吸附氟離子能力較弱，其僅是通過石材內(nèi)部含有的正價鋁離子對氟離子進(jìn)行吸附，為進(jìn)一步增強(qiáng)沸石的活性，對天然沸石進(jìn)行活化處理，以提高沸石對氟離子的吸附能力[3]，保證在同等條件下，沸石依靠交換能力所產(chǎn)生的吸附效果可得到進(jìn)一步增強(qiáng)，并可通過解吸劑在沸石完成吸附水體中的氟離子后，可實(shí)現(xiàn)再生，保證活化沸石的重復(fù)利用。

2.4 重金屬離子處理

沸石作為離子交換載體主要是由內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)中的配位健之間的差異性所決定的，此特性令沸石具備陽離子的交換能力。沸石通過軟化處理，可有效提高天然沸石的離子交換能力。由體積效應(yīng)可知，當(dāng)沸石結(jié)構(gòu)的塑性與尺寸呈現(xiàn)出線性關(guān)系時，整個結(jié)構(gòu)參數(shù)可以規(guī)定為因成分不同而導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)的承載能力變大[4]。沸石中存在的正二價鈣離子、鎂離子等，將被鹽水中的正價鈉離子進(jìn)行置換。在置換過程中，由于鈉離子是小于沸石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙，此時在經(jīng)過孔位時，鈉離子傳輸過程中所受到的空間阻力較小，即代表鈉離子更容易在此狀態(tài)下進(jìn)入到沸石結(jié)構(gòu)內(nèi)部，并隨著沸石內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行有序性傳輸，這就令沸石具備較高的離子交換能力。我國科學(xué)家通過軟化實(shí)驗(yàn)，利用沸石對水體進(jìn)行軟化處理，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，軟化后的水體已經(jīng)達(dá)到工業(yè)用水需求。此外，通過沸石還可有效對海水進(jìn)行重金屬處理，通過對沸石進(jìn)行堿化處理，可最大限度提高沸石對重金屬離子的吸附能力，其對于現(xiàn)階段海水重金屬污染來講，可有效防止水體污染的蔓延，進(jìn)而對生態(tài)環(huán)境起到一定的保護(hù)作用。

2.5 放射性物質(zhì)處理

放射性物質(zhì)在進(jìn)行處理時，主要是對水體中的Cs、Sr等離子進(jìn)行交換，在交換時沸石所吸附的Cs可以不進(jìn)行清除處理，而可以直接將具有Cs離子的沸石當(dāng)成是放射源進(jìn)行利用，以此來提高利用效率。如需將放射性物質(zhì)進(jìn)行處理時，需對沸石進(jìn)行高溫熔化，令具有放射性的離子固定在沸石結(jié)構(gòu)中，但從放射性元素的溶解效率來看，大約50年才可溶解0.8%～1.2%，整個溶解過程相對較慢。

3 沸石在水處理中的應(yīng)用前景展望

一定體積下的沸石處理能力為一定值，當(dāng)其在水處理過程中的吸附、交換呈現(xiàn)出飽和狀態(tài)時，則沸石將無法繼續(xù)進(jìn)行吸附反應(yīng)，此時，則需對沸石進(jìn)行再生化處理，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在的吸附離子、交換離子等進(jìn)行處理，令其重新具備相應(yīng)的吸附能力。目前，針對飽和沸石的再生機(jī)制，可采用化學(xué)、物理兩種方法來進(jìn)行操作，如常見的NaCl、Na(OH)、Ca(OH)2等試劑可作為再生劑對沸石進(jìn)行活化。但在實(shí)際還原過程中，應(yīng)針對沸石所吸附的雜質(zhì)進(jìn)行特性分析，保證對沸石結(jié)構(gòu)內(nèi)的離子可最大限度的消除。例如，在對有機(jī)物較多的物質(zhì)進(jìn)行清除時，可先將飽和狀態(tài)的沸石進(jìn)行高溫加熱處理(550～650℃)，此狀態(tài)下熱沸石所吸附的有機(jī)雜質(zhì)更容易去除干凈；在對含有重金屬的飽和沸石進(jìn)行處理時，可利用含有一定酸性的氯化鈉溶液(5%～8%)，消除飽和沸石中的重金屬，進(jìn)而達(dá)到再次使用的目的。

從技術(shù)發(fā)展角度來看，沸石作為新型水處理材料，其實(shí)際應(yīng)用正處于初級階段，部分理論與實(shí)踐存在相對滯后性的問題[5]，為此，利用沸石材料作為凈水處理載體時可從下列方向?yàn)橹c(diǎn)。

第一，遵循經(jīng)濟(jì)性原則，找出合理的活化方法，確保失效狀態(tài)下的沸石進(jìn)行再生處理時，能有效降低成本，同時保證處理后的效果，進(jìn)而為沸石水處理工藝的發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。

第二，將沸石處理工藝與催化、氧化類處理工藝相結(jié)合，從而加大污水處理力度。通過將具有金屬特性的催化劑對沸石的化學(xué)特性進(jìn)行改性，令兩種處理形式可同時發(fā)揮出應(yīng)有的效用，便可更加高效的保證沸石水處理時，兩個不同的工藝可最大限度的發(fā)揮出催化優(yōu)勢，提高沸石水處理質(zhì)量。

第三，將活性炭引入沸石處理工藝中，通過吸附性的共生，對水源進(jìn)行更高效率的處理。但考慮到活性炭成本較高，在實(shí)際結(jié)合時，需針對水體處理等級正確界定出兩種工藝的組合形式，以提高經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出比。

4 結(jié)語

綜上所述，利用沸石進(jìn)行水處理是一種新型的工藝體系，通過對沸石進(jìn)行改性處理，在一定程度上可提高污水處理的質(zhì)量，且可提高整體經(jīng)濟(jì)效益。期待在未來發(fā)展過程中，以沸石工藝為主的水處理，可更好的作用于整個水污染防控體系中，為社會資源的有效利用提供技術(shù)基礎(chǔ)。