张伟娜 尚珂 初开艳

【摘 要】沸石是一种含水架状结构的多孔硅铝酸盐矿物。天然沸石吸附量大、吸附效率高，同时具有离子交换性能及择型催化性能，在吸附含重金属离子废水方面具有独特优势。改性后的沸石在自身基础上拥有更高的孔隙率、表面活性、吸附性能和离子交换性能及交换量。本文对近年来天然及改性沸石去除废水中重金属离子方面的应用进行了研究，提出了沸石处理废水中重金属离子的问题及应用发展方向。

【关键词】沸石 废水 重金属离子 吸附

1 引言

在人类的工生产过程中，产生与排放大量含重金属离子的废水。由于重金属离子不能被生物降解为无害物，而在水体中富集，并通过食物链最终危害人类健康。沸石是自然界中广泛存在的一种硅铝酸盐矿物，它具有特殊的四面体结构，及较大的表面积和较高的离子交换和吸附能力，可有效去除重金属离子并回收利用。

2 沸石结构

沸石是一种含水架状结构的多孔硅铝酸盐矿物，是沸石族矿物的总称。构成沸石骨架最基本的结构是硅氧（SiO4）四面体和铝氧（AlO4）四面体。在铝（硅）氧四面体中，由于一个氧原子的价电子没有得到中和，使得整个铝（硅）氧四面体带有一负电荷，为保持电中性，附近必须有一个带正电荷的金属阳离子来抵消。由于晶体结构的开放性，沸石含有许多排列有序、大小均匀、彼此贯通并与外界相连的空穴和孔道，是最典型的具有纳米介孔结构的非金属矿物[1]。

3 沸石的性能

3.1 吸附

沸石晶体的大量孔穴和孔道[2，3]（孔穴度高达40%～50%），其中占据着阳离子和水分子，当经过烘烧使它部分或全部脱水后，其结晶骨架并未破坏，从而形成一个内表面积很大的孔穴，可吸附并储存大量分子。沸石与其它吸附剂相比还具有以下特点：

（1）吸附量大，一般固体颗粒每克仅有几个平方米的内表面积，而每克沸石的内表面积竟有千余平方米。（2）高选择性 沸石晶体内部的空穴和孔道大小均匀固定。只有直径较小的分子才能通过沸石孔道进入空穴被吸附，沸石因其具有选择吸附性能，也称为分子筛。（3）高效吸附 由于沸石晶体内部有强大的库仑场和极性起着作用，所以对H2O、NH3、H2S、CO2等高极性分子具有很强的亲合力，特别是对水，即使在相对低湿度和低浓度、高温等不利条件下，仍能吸附，吸水量比硅胶和活性氧化铝都高。

3.2 离子交换性能

沸石中K+、Na+、Ca2+等阳离子与结晶格架的结合不很紧密，具有在水溶液中与其他阳离子进行可逆交换的性质。交换后沸石晶格结构并未被破坏，只是通过离子交换使得晶体结构内部的电场、比表面积等发生了某种变化。

3.3 择形催化

活化处理后的天然沸石，具有催化性能。沸石内部的孔穴相互沟通的通道大小决定了吸附质能否被吸附，只有那些分子直径小于通道直径的吸附质才能通过通道进入笼内被吸附。因此在沸石内部进行的许多催化具有择形性[2，3]

另外，沸石还是理想的催化剂载体。

4 沸石去除水中的重金属离子

4.1 天然沸石去除水中的重金属离子

天然沸石由于具有良好的吸附性及离子交换性，在去除及回收废水中的重金属元素方面得到广泛的应用。Sabeha Kesraoui Ouki[4，5]等研究了斜发沸石和菱沸石对含有多种重金属离子的废水的处理效果，结果表明两种沸石对Pb2+都有很好的去除能力，对各种离子选择吸附的顺序，菱沸石为：Pb>Cd>Zn>Co>Cu>Ni>Cr；斜发沸石为：Pb>Cu>Cd>Zn>Cr>Co>Ni。离子初始浓度对斜发沸石的吸附效果有较大影响（Pb除外，大部分情况下去除率都在100%），初始浓度为10×10-6时，吸附效果最好。离子浓度对菱沸石的去除效果影响不是很明显。菱沸石的交换容量大于斜发沸石，主要是由于菱沸石骨架中较多的Si被Al取代，因此骨架负电荷较多，交换容量大，故其对金属离子的去除率较高。溶液pH值对去除率也有影响，pH值降低，去除率升高。总的来说，两种沸石的去除能力并不因为溶液中多种重金属离子的存在而受到影响，因此在处理含有多种重金属的废水方面有很大的应用前景。

S.T.Bosso[6]等人用钙沸石对水中多种重金属离子（Pb2+、Cu2+、Zn2+、Ni2+、Co2+和Cd2+）的去除进行了研究。试验在含有重金属的水中加入0.5g样品，室温下持续搅拌24h。研究表明，钙沸石对Cu2+具有极大的亲和力，吸附量为130×eq/g（溶液pH值=6，Cu2+初始浓度Ci=30mg/L，液固比=200）。

4.2 改性沸石去除水中的重金属离子

为进一步提高天然沸石的吸附，离子交换等性能。可以对天然沸石进行改性处理。改性后可以明显提高其孔隙率、表面活性、吸附性能和离子交换性能及交换量。

陈国安采用稀无机酸（HCl、H2SO4、HNO3）改性天然沸石，试验表明改性后能增强其吸附性能。将改性后天然沸石用于处理Cr6+和Zn2+初始质量浓度皆为17～32mg/L的电镀废水，可使出水中重金属离子Cr6、Zn2+浓度低于国家排放标准，沸石经盐酸和氯化钠混合液解吸再生后可重复使用，处理成本为1元/T左右[7].

李曼尼研究了Cl-、F-共存时，NaCl改性的Na型斜发沸石对废水中Cu2+交换量及废水深度净化率的影响规律[8]。实验结果表明，经NH3Cl预处理，NaCl改性的Na型斜发沸石深度净化工业废水中Cu2+时，Cu2+的初始质量浓度为20mg/L和40mg/L时，可以忽略Cl-、F-共存阴离子及其在温度变化不大时对Na+和Cu2+水热交换量的影响，废水Cu2+去除率可达97%以上，而Na型沸石的阳离子交换率仅达8%，因此在工业废水的治理中Na型斜发沸石有很好的应用价值。

5 应用前景与展望

我国沸石资源丰富，价格低廉，性质优良，所以沸石在水处理领域的应用有着其他矿物质无法比拟的优点。但是，沸石作为一种新型的水处理剂，目前在技术上还不太成熟，而且其吸附特性与其固有的结构有着直接的联系，因此要真正广泛应用于实践还需开展大量工作。

一是寻找将沸石的吸附作用与其他技术相结合处理含重金属的污染水源的有效方法，利用沸石独特的特性联合其他处理工艺，达到各自的优势互补。二是由于天然沸石种类很多，在实际应用时必须经过实验合理选用，而且废水由于来源不同，成分复杂，因而需根据具体情况确定合理的操作条件，通过中试及生产性试验，探讨出沸石处理各种水源的最佳工艺条件，确定运行参数，以实现工厂化工艺水处理。三是必须根据具体情况确定合理的再生方法，使饱和失效的沸石再生，减少资源浪费及避免新的污染。

参考文献：

[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] 阎子峰.纳米催化技术[M].北京：化学工业出版社，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] 陈国安.沸石处理重金属离子废水的试验研究[J].矿产保护与利用，2001（6）：17-19.

[8] 李曼尼，张景林，孟克巴雅尔 等.Cl-、F-阴离子共存在时Na型斜发沸石与废水中Cu2+交换性能的研究[J].环境科学学报，2001，21（增刊）：93-96.