王云波，廖天鳴

（長沙理工大學 水利工程學院，長沙410014）

高鐵錳地下水在我國分布非常廣泛，并且鐵、錳通常共生［1-2］。鐵錳超標的飲用水，色、嗅、味等感官性狀差，令人難以下咽，嚴重的會導致胃腸功能紊亂［3］。當前，新農村建設日新月異，農村飲用水安全受到關注。然而受水源條件和經濟條件的限制，大部分地區(qū)農民僅僅是解決了飲水難問題，但仍未解決飲水衛(wèi)生安全問題。水中存在的鐵和錳通常都是還原態(tài)，通過催化氧化過濾對其去除是常用的方法，但存在著需要較長的成熟期，并且錳同步去除效果較低等問題，本文針對農村地區(qū)的鐵錳去除，旨在尋求一種操作方便、經濟、高效的除鐵除錳方法。

當前水處理工藝中，改性沸石濾料過濾就是除鐵錳一種新工藝［4-5］。沸石在我國分布很廣泛，是一種天然、無毒、無味、相對于環(huán)境沒有影響的礦石，價格低廉，具有吸附、離子交換等性能［6-9］，非常適合作為農村水處理材料。經過鹽酸、NaCl、微波等改性處理后，沸石晶體的負電性減弱，沸石對陽離子的吸附效率提高；同時通過改性可以不同程度地破壞沸石表面，使沸石的比表面積增加，提高了沸石的吸附和離子交換性能，將鐵、錳離子從地下水中去除。

1 實驗材料與方法

1.1 材料與設備

實驗采用浙江縉云沸石，硅鋁比4.25～5.25，比表面積230～320m2/g，密度 0.8～1.2g/cm3。其主要成分：SiO2（69.58%），Al2O3（12.2%），F(xiàn)e2O3（0.87%），CaO（2.59%），MgO（0.13%），Na2O（2.59%），K2O（2.59%），其他（10.91%）。

實驗所用主要儀器：AUY120型電子天平（日本島津）；PHSJ-3F型pH計（上海精密科儀有限公司）；7200型可見分光光度計 （尤尼柯儀器有限公司）；202-2AB型電熱恒溫干燥箱（天津市泰斯特有限公司）；DJ-6CS型精密六聯(lián)電動攪拌器（金壇市大地自動化儀器廠）；WD900Y型微波爐（格蘭仕微波電器有限公司）。

實驗所用試劑主要有：NaCl、鹽酸、硫酸亞鐵銨、硝酸、錳粉等，實驗配置試劑用水為去離子水，試劑均為分析純，原水為人工配制的模擬水。

1.2 實驗方法與步驟

1.2.1 沸石改性

（1）NaCl改性。 配制濃度5%、10%、15%、20%、25%、30%NaCl溶液，按固液比（g/mL）1∶20，在20 ℃條件下浸泡沸石24h。此后，用去離子水反復沖洗沸石，放入烘箱中105℃烘干。

（2）鹽酸改性。 配制濃度2%、4%、8%、12%、16%鹽酸溶液，按固液比（g/mL）1∶20，在20 ℃條件下浸泡沸石24h。此后，用去離子水反復沖洗沸石，放入烘箱中105℃烘干。

（3）微波改性。實驗使用900W微波爐，微波頻率2045MHz，加熱時間分別為1，3，5，8，10min。

1.2.2 靜態(tài)吸附實驗

用硫酸亞鐵銨配制Fe溶液，將錳粉溶于硝酸（1+1）中稀釋后制成Mn溶液，常溫下裝入帶蓋瓶中密封保存?zhèn)溆?，測定20 ℃時Fe和Mn的標準曲線［10］。

用配制好的Fe溶液或Mn溶液稀釋成一定濃度（實驗中未考慮Fe、Mn離子的競爭吸附），實驗時按需要等量分取數(shù)份，置于50mL小燒杯中，并按固液比（g/mL）1∶20加入等量經不同條件改性的沸石，另設參照組（天然沸石），以觀察改性效果。將這些燒杯置于六聯(lián)電動攪拌器下攪拌2.5h，靜置22h達到吸附平衡后，取上清液測定Fe、Mn濃度的吸光度，求出Fe、Mn濃度。

各種沸石改性效果的大小，可以用吸附平衡時溶液中的Fe、Mn含量與對照組中Fe、Mn含量的差值與原溶液中Fe、Mn含量的比值表示。

2 實驗結果與分析

2.1 NaCl改性

用經過不同濃度的NaCl溶液改性后沸石，投加到吸光度0.478的含鐵原水和吸光度0.390含錳原水中分別做靜態(tài)吸附試驗。結果表明，在一定范圍內NaCl溶液濃度越高，可同步提高沸石除鐵、除錳效果。在NaCl濃度為25%時改性效果最好，經改性后的沸石與改性前相比，鐵去除率提高了13.81%，錳去除率提高了26.4%，而后隨著NaCl濃度的提高，改性后沸石的除鐵除錳效果變化不大，如圖1和圖2所示。

圖1 NaCl改性沸石除鐵效果

圖2 NaCl改性沸石除錳效果

沸石經NaC1溶液改性處理后變?yōu)殁c型沸石，Na+置換了沸石孔穴中原有的Ca2+和Mg2+等半徑較大的陽離子，使其孔徑變大，吸附容量增加，故其去除鐵錳的能力得以提高［11］。但當離子交換達到平衡后，吸附容量達到最大，因而繼續(xù)增大NaCl溶液的濃度去除效果也不會提高，同時還會增加處理成本。

2.2 鹽酸改性

將經過改性后的沸石投加到吸光度為0.613的含鐵原水和吸光度為0.834含錳原水中分別進行除鐵除錳的試驗，結果表明：高濃度鹽酸對沸石的改性效果比低濃度鹽酸好，但變化幅度不大，改性效果不理想。經濃度為16%鹽酸改性后的沸石，除鐵的最佳效果亦不及天然沸石的1.04倍。鹽酸改性后的沸石除錳效果也不好，且鹽酸用量多，成本高。實驗的具體數(shù)據(jù)見圖3和圖4。

圖3 鹽酸改性沸石除鐵

圖4 鹽酸改性沸石除錳

2.3 微波改性

沸石經微波改性后，對鐵錳去除效果改變情況見圖5和圖6。實驗表明，隨著微波加熱時間的延長，對鐵、錳的去除效果均增加，其中除錳效果的增加幅度明顯高于除鐵。微波10min改性后沸石對錳的吸附能力較天然沸石提高了24.15%，但對鐵吸附能力改變較小，僅提高了4.78%。

圖5 微波改性沸石除鐵

圖6 微波改性沸石除錳

微波是一種高頻電磁波，具有獨特的熱效應，加熱時，微波進入到沸石內部，由內向外進行加熱，電磁能直接作用于介質分子并轉換成熱，由于內部缺乏散熱條件，造成內部溫度高于外部溫度，形成驅動內部水分向表面滲透的蒸汽壓差，從而加速水分的遷移蒸發(fā)速率［12］，水分蒸發(fā)后使沸石的孔隙結構更加完善，吸附和離子交換性能提高。

3 結語

（1）采用NaCl對沸石改性，隨著NaCl溶液濃度的提高，可以同步提高沸石除鐵、除錳效果。在NaCl濃度為25%時改性效果最好；經改性后的沸石與改性前相比，鐵去除率提高了13.81%，錳去除率提高了26.4%；而后隨著NaCl濃度的提高，改性后沸石的除鐵除錳效果變化不大。

（2）高濃度鹽酸對沸石的改性效果比低濃度鹽酸好，但變化幅度不大，改性效果不理想，且鹽酸用量多，成本高。

（3）采用微波改性沸石時，隨著微波加熱時間的延長，對鐵錳的去除效果均增加，其中除錳效果的增加幅度明顯高于除鐵。微波10min改性后沸石對錳的吸附能力較天然沸石提高了24.15%，對鐵吸附能力提高了4.78%。

采用廉價的沸石處理農村高鐵錳地下水，尋求經濟有效的改性方法，至關重要。經過改性的沸石的吸附量都比天然沸石有所提高。在3種改性沸石中，吸附效率提高最大的是經飽和NaCl溶液浸泡改性的沸石。

［1］張杰，戴 鎮(zhèn)生.地下水 除鐵除 錳現(xiàn) 代觀［J］.給水排水，1996，22（10）:13-16.

［2］王占生，劉文君.微污染水源應用水處理［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.

［3］李冬，曾輝平，張杰.飲用水除鐵除錳科學技術進展［J］.給水排水， 2011（6）.

［4］張杰，曾輝平，李冬，等.維系生物除鐵除錳濾池持續(xù)除錳能力的研究［J］.中國給水排水，2007（3）.

［5］Pierre Mouchet.From conventional to biological removal of iron and manganese in france［J］.Journal AWWA，1992，84（4）：158-167.

［6］嚴子春，王曉麗.沸石強化過濾的效果及其對水質的影響［J］.重慶大學學報（自然科學版），2002，25（2）:130-133.

［7］李德生，張金萍.沸石濾料對黃河原水的處理效果［J］.中國給水排水，2002， 18（12） :37-38.

［8］鄭禮勝，王士龍，張虹，等.用沸石處理含鉻廢水的實驗研究［J］.環(huán)境工程， 1997，15（3）:13-15.

［9］趙丹，王曙光，欒兆坤，等.改性斜發(fā)沸石吸附水中氨氮的研究［J］.環(huán)境化學， 2003，22（1）:59-62.

［10］水和廢水監(jiān)測分析方法編委會編.水與廢水監(jiān)測分析方法（第四版）［M］.北京:中國環(huán)境科學出版社，2009.

［11］梁起，康定學.斜發(fā)沸石的改性及應用［J］.化學世界，1997，38（12）:631-633.

［12］商平，劉濤利，孔祥軍.微波改性沸石后處理垃圾滲濾液中氨氮的實驗研究［J］.非金屬礦，2010，33（2）:63-65.