張世春，王恩文，2，雷紹民，黃 騰

（1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢 430070；2.安順學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院）

沸石分子篩在大氣與水污染治理應(yīng)用的研究進(jìn)展*

張世春1，王恩文1，2，雷紹民1，黃 騰1

（1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢 430070；2.安順學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院）

介紹了沸石分子篩結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及近年來(lái)國(guó)內(nèi)外利用沸石分子篩在大氣與水體污染治理領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用進(jìn)展，闡述了該材料在大氣凈化及污染水體治理領(lǐng)域中應(yīng)用的原理及優(yōu)勢(shì)，提出了針對(duì)應(yīng)用對(duì)象有效調(diào)控孔徑大小及吸附容量、可循環(huán)利用的高效吸附降解復(fù)合材料制備是沸石研究的發(fā)展趨勢(shì)。沸石分子篩的合理利用能為國(guó)內(nèi)日益加劇的大氣與水污染治理提供支持。

沸石分子篩；吸附；脫硫脫氮；水處理

沸石分子篩是一族含堿或堿土金屬、具有連通孔道并呈架狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽或硅鋁酸鹽礦物，是天然分子篩（即沸石礦）與人工合成分子篩的總稱。其天然礦物由瑞典礦物學(xué)家A.F.Cronstedt于1756年研究銅礦時(shí)發(fā)現(xiàn)，從此便揭開(kāi)了人類研究沸石的序幕。由于沸石礦具有大小固定且規(guī)整的孔道，且孔穴、孔徑分布窄，只允許小分子物質(zhì)進(jìn)入孔穴，從而使沸石具有分子篩的作用；再加上沸石分子篩具有陽(yáng)離子交換、催化、耐酸耐熱等特性，因此可廣泛應(yīng)用于石油化工、水泥建材、有機(jī)合成、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)牧業(yè)等領(lǐng)域。R.M.Barrer等［1］于1948年在水熱條件下首次人工合成了沸石分子篩，而中國(guó)在沸石研究方面起步較晚，于1972年在浙江首次發(fā)現(xiàn)了具有工業(yè)價(jià)值的沸石礦床，目前共發(fā)現(xiàn)的沸石礦藏400余處，主要分布在華東、華北、中南地區(qū)等地，對(duì)沸石分子篩的應(yīng)用上還處于研究階段。利用其天然礦物及人工合成的分子篩，進(jìn)行氣體分離、煙氣凈化、去除水中氨氮及重金屬離子、除氟、清除水面油污等，可達(dá)到較好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

1 概述

1.1 沸石分子篩結(jié)構(gòu)

沸石分子篩的基本結(jié)構(gòu)單元是由共享頂點(diǎn)面而形成的TO4四面體骨架結(jié)構(gòu)（T代表Si或Al等元素）［2］，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其化學(xué)通式：M2/nO·Al2O3·χSiO2·yH2O。式中M代表K、Na、Ca、Sr、Ba等堿或堿土金屬元素，n為金屬離子化合價(jià)。以Si（或Al）原子為四面體中心，采用sp3雜化與頂點(diǎn)處4個(gè)氧原子成鍵，相鄰四面體之間共用一個(gè)氧原子，并通過(guò)氧橋相互聯(lián)結(jié)；多個(gè)四面體首尾相連，即形成多元環(huán)的次級(jí)結(jié)構(gòu)單元（如六元環(huán)、八元環(huán)、十元環(huán)和十二元環(huán)等），連接的四面體越多，沸石分子篩孔徑越大。多個(gè)多元環(huán)再通過(guò)復(fù)雜的三維聯(lián)結(jié)，就形成了沸石分子篩中空的骨架結(jié)構(gòu)。由骨架結(jié)構(gòu)、骨架中相互連接的孔道體系及孔道中的陽(yáng)離子和水分子差異不同形成了沸石分子篩系列礦物。

圖1 沸石分子篩四面體示意圖

1.2 沸石分子篩的性質(zhì)

1.2.1 陽(yáng)離子交換性

當(dāng)沸石分子篩結(jié)構(gòu)中部分Si被Al所取代后，為平衡其晶體骨架中Al-O四面體多余的電子，使其達(dá)到電中性，需要部分金屬陽(yáng)離子來(lái)平衡其內(nèi)部電荷。這些金屬陽(yáng)離子與沸石分子篩晶格結(jié)合力很弱，可在骨架結(jié)構(gòu)中自由移動(dòng)，在一定條件下，易與其他陽(yáng)離子進(jìn)行可逆交換，發(fā)生離子交換作用，而不破壞沸石分子篩原有晶格［3］，如圖2所示。

圖2 沸石分子篩離子交換示意圖［4］

沸石分子篩的陽(yáng)離子交換一般是在水溶液中進(jìn)行的，其反應(yīng)如下式：

式中，l代表溶液相，M是存在于沸石相中的K+、Na+、Ca2+等金屬陽(yáng)離子，M′是溶液中可取代M的交換陽(yáng)離子。離子交換的強(qiáng)度大小是由交換容量體現(xiàn)的，沸石分子篩的離子交換容量決定于晶體結(jié)構(gòu)可交換的金屬陽(yáng)離子M，其含量越多，交換容量越大，即一般硅鋁比越低，離子交換作用越強(qiáng)（但晶格中至少要有一個(gè)Si，不能被完全取代）。另外，交換容量還與晶格中孔徑大小、交換條件、交換陽(yáng)離子位置及半徑等有關(guān)，不同沸石分子篩對(duì)不同金屬陽(yáng)離子表現(xiàn)出不同的離子交換容量。利用沸石分子篩的陽(yáng)離子交換性，可改變其孔徑尺寸，調(diào)節(jié)晶體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度及表面酸性等，繼而改變沸石分子篩的性質(zhì)［5］，實(shí)現(xiàn)在廢水處理、海水淡化和制備多相催化劑等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

1.2.2 選擇吸附性

沸石分子篩的晶體內(nèi)部存在大量與外界相通的孔穴與孔道，使其具有較大的比表面積、孔體積及強(qiáng)大的色散力，且在沸石構(gòu)架中，陰離子晶格上的負(fù)電荷與平衡陽(yáng)離子的正電荷中心在空間上不平衡，使晶體內(nèi)部陽(yáng)離子周圍具有較強(qiáng)的電場(chǎng)，從而具有較大的靜電引力。在色散力與靜電力共同作用下，沸石分子篩具有很強(qiáng)的吸附作用，對(duì)極性強(qiáng)及不飽和的吸附質(zhì)分子（如H2O、CO、CO2、H2S和NH3等）具有較強(qiáng)的親和力，即使在較高溫度、較低相對(duì)濕度和低濃度條件下仍能有效吸附［6］。且由于沸石分子篩內(nèi)部孔徑大小均勻整齊（約為0.3～1.1nm），孔徑分布窄，只有直徑較沸石孔道小的分子才能進(jìn)入孔穴中被吸附，大分子則被排除在外，因此還具有選擇性吸附部分小分子物質(zhì)的特性。沸石分子篩的選擇吸附性，可廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)中的煙氣凈化、氣體吸附分離、干燥和水面除油等。

1.2.3 其他性質(zhì)

沸石分子篩還具有良好的催化性、熱穩(wěn)定性、耐酸性、反應(yīng)活性及耐輻射性能等。

2 沸石分子篩應(yīng)用進(jìn)展

2.1 在大氣環(huán)境污染治理中的應(yīng)用進(jìn)展

2.1.1 治理大氣污染中的二氧化硫

煤炭燃燒、化工生產(chǎn)及含硫礦石的冶煉等產(chǎn)生的SO2氣體，在空氣中易形成酸雨污染水體、腐蝕建筑物等，SO2氣體也是中國(guó)重點(diǎn)治理的污染物之一。沸石分子篩具有大量尺寸固定、與外界相通的孔穴及孔道，表現(xiàn)出高效選擇吸附性，因此在煙氣脫硫方面得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)70年代，工業(yè)上已實(shí)現(xiàn)利用天然沸石吸附硫酸/硝酸廠尾氣中的SO2和NOχ，吸附后的沸石在約300℃的溫度下可還原再生，并回收酸性氣體。為進(jìn)一步提高選擇吸附性，提高利用率，研究者針對(duì)不同吸附質(zhì)探討吸附機(jī)理做了大量研究，并取得較好效果。

張海波［7］研究了4A、5A和13X（有效孔徑分別為0.4、0.5、0.9nm）3種合成沸石分子篩在一定實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)SO2（分子碰撞直徑0.411 2 nm）的吸附穿透曲線。結(jié)果表明：當(dāng)沸石分子篩有效孔徑略大于吸附質(zhì)SO2的分子碰撞直徑時(shí)，吸附效果最好。實(shí)驗(yàn)以N2為載體，在溫度為80℃、氣體流量為0.7L/min、SO2初始質(zhì)量濃度為5.71g/m3（體積分?jǐn)?shù)為0.2％）的條件下，5A沸石分子篩吸附效果最好，此時(shí)穿透時(shí)間為74min、平衡吸附量為97.1mg/g；同樣條件，當(dāng)沸石分子篩有效孔徑過(guò)大（13X）時(shí)，吸附選擇性減弱，對(duì)專項(xiàng)氣體吸附不利，穿透時(shí)間和平衡吸附量均減?。粚?duì)于有效孔徑小于分子碰撞直徑的4A分子篩，則基本沒(méi)有脫硫效果。沸石分子篩對(duì)氣體分子的吸附除與有效孔徑有關(guān)外，還與沸石的比表面積、孔容等有關(guān)。智永婷［8］通過(guò)對(duì)4A、ZSM-3（38）、13X等3種沸石分子篩在以N2為載體、混合11.04％（體積分?jǐn)?shù)）的CO2、SO2初始質(zhì)量濃度為5.26g/m3、混合氣流量為285mL/min條件下進(jìn)行了SO2吸附特性研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可見(jiàn)，雖然13X沸石分子篩的有效孔徑比略大于SO2碰撞直徑（0.411 2nm）的ZSM-3（38）分子篩有效孔徑大，對(duì)SO2的吸附選擇性相對(duì)較弱，但由于其比表面積和孔容均較大，因此對(duì)SO2的綜合吸附效果最好。

表1 幾種沸石分子篩特性及對(duì)SO2的吸附性

除了利用沸石分子篩選擇吸附特性脫硫外，還可通過(guò)離子交換改性進(jìn)行煙氣凈化。張妮娜［9］研究了用過(guò)渡金屬M(fèi)（Cu、Au、Ag）交換H-ZSM分子篩吸附CO、NO、SO2等小分子。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，吸附后的小分子鍵變長(zhǎng)，與吸附鍵級(jí)守恒原理相符。吸附過(guò)程中，金屬中心M的電子結(jié)構(gòu)由d10變?yōu)閟1d9，M的d電子轉(zhuǎn)移到小分子，達(dá)到活化小分子的目的，使其易被吸附。對(duì)小分子NO、CO、H2O的吸附能由大到小依次為Au-ZSM-5＞Cu-ZSM-5＞Ag-ZSM-5，對(duì)SO2吸附能由大到小順序?yàn)镃u-ZSM-5＞Au-ZSM-5＞Ag-ZSM-5。Sakizci Meryem等［10］進(jìn)行了用硝酸鹽改性斜發(fā)沸石脫硫的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改性沸石分子篩對(duì)SO2的吸附還與交換陽(yáng)離子的類型有關(guān)（Mg2+＜K+＜Na+），鈉鹽改性后的沸石對(duì)SO2吸附量明顯增加，原因可能是SO2偶極矩與Na+產(chǎn)生的導(dǎo)電能之間相互作用所致。

2.1.2 治理大氣污染中的氮氧化物

沸石分子篩具有良好的離子交換、吸附及催化功能，在煙氣脫硝方面也有較好的效果。薛全民等［11］研究了不同金屬離子（堿或堿土金屬離子、過(guò)渡及稀土金屬離子）的硝酸鹽溶液改性Y型分子篩在300K下對(duì)NO的吸附。結(jié)果表明：堿及堿土金屬離子、稀土金屬離子改性后，對(duì)NO的穿透時(shí)間及吸附量均有所增加，但提高幅度不大；過(guò)渡金屬改性后吸附效果有較大提高，尤其Co2+改性對(duì)NO吸附效果最好：在300K下，流量為60mL/min，對(duì)濃度為70μg/g的NO吸附量為4.74mmL/g，穿透時(shí)間為957s。但有O2存在時(shí)，NO在沸石分子篩上既有吸附也有轉(zhuǎn)化作用，且當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)低于10％時(shí)，NO轉(zhuǎn)化為NO2的轉(zhuǎn)化率較高［12］。此外，還可通過(guò)分解的方法來(lái)達(dá)到脫硝目的。魏在山等［13］在分子篩中加入NH4HCO3，并采用微波同時(shí)實(shí)現(xiàn)脫硫脫硝，且效率均比單獨(dú)使用沸石分子篩高，在微波功率為211～280W時(shí)，最佳脫硫率達(dá)99.1％，脫硝率達(dá)85％。分析原因，可能是由于NH4HCO3分解產(chǎn)生的NH3與SO2、NO反應(yīng)生成了硫磺和N2。

沸石分子篩還可作為催化劑來(lái)分解NOχ，從而凈化煙氣。劉寧［14］利用過(guò)渡金屬陽(yáng)離子（Co、Cu、Fe）改性不同構(gòu)型沸石分子篩（MCM-49、MOR、BEA、FER）來(lái)催化分解N2O，通過(guò)表征發(fā)現(xiàn)改性金屬主要以離子態(tài)的形式存在于分子篩上，且為N2O催化分解的活性中心。Fe、CO改性的沸石分子篩具有較高的N2O催化分解活性，其中對(duì)BEA分子篩改性后的催化活性最高，經(jīng)分析這與BEA分子篩具有較大的比表面積和孔容有直接關(guān)系。

2.1.3 吸附大氣污染中的其他有害氣體

利用沸石分子篩規(guī)整的骨架結(jié)構(gòu)、均勻的孔徑分布及可調(diào)變的表面性質(zhì)，可吸附分離空氣中的CO、CO2等溫室氣體。程文萍等［15］用黏土礦物將沸石分子篩制備成型，其對(duì)CO/N2的分離選擇性系數(shù)達(dá)3.77，符合變壓吸附（簡(jiǎn)稱PSA）對(duì)吸附劑的要求；且引入淀粉助劑后，對(duì)CO吸附容量為34.59mL/g，CO/N2的分離選擇性系數(shù)達(dá)到4.71。T.L.Dantas等［16］的研究表明，13X分子篩在CO2/N2混合氣進(jìn)行分離中對(duì)CO2具有很高的選擇吸附性，還吸附硫化氫、氨及胺類含氮化合物等并除臭，且載上鐵等金屬氧化物后，在常溫下惡臭成分在空氣中即可發(fā)生氧化分解；在天然氣的干燥和凈化、汽車尾氣（有效轉(zhuǎn)化NOχ，轉(zhuǎn)化率達(dá)70％）處理、催化降解香煙煙氣中的多環(huán)芳烴等有毒物質(zhì)、吸附垃圾填埋場(chǎng)的CO2、凈化甲烷氣體提高熱值、吸附VOCs和汞蒸氣及對(duì)乙酸乙酯、芳烴等含氧衍生物的催化轉(zhuǎn)化等方面均有應(yīng)用報(bào)道［6，17］。

2.2 在水環(huán)境污染治理中的應(yīng)用進(jìn)展

2.2.1 去除水中重金屬離子

中國(guó)絕大多數(shù)城市的廢水都不同程度存在重金屬污染，雖濃度不高但會(huì)對(duì)人類造成極大傷害。沸石分子篩的骨架結(jié)構(gòu)中的平衡陽(yáng)離子在孔穴中與晶格結(jié)合力很弱，易與溶液中鋇、銅、鎘、鉛、鋅等重金屬發(fā)生離子交換反應(yīng)，利用此特性可以有效去除廢水中的重金屬離子。

余亮［18］研究了4A沸石分子篩復(fù)合Fe3O4對(duì)Pb2+的吸附性能。研究表明：在Pb2+初始質(zhì)量濃度為200mg/L、pH為5、溫度為30℃的條件下，對(duì)Pb2+去除率可達(dá)92.1％。彭秀達(dá)等［19］利用13X分子篩去除廢水中的Cr3+，在初始質(zhì)量濃度為25mg/L、最佳pH為5的條件下，常溫下對(duì)Cr3+去除率可達(dá)92.2％。通過(guò)機(jī)理分析可知，13X分子篩對(duì)Cr3+吸附符合Langmuir等溫線模型，吸附動(dòng)力模型為L(zhǎng)agergren二級(jí)速率方程，控制速率步驟為顆粒內(nèi)擴(kuò)散。同時(shí)與陽(yáng)離子交換樹(shù)脂去除效果比較，13X分子篩吸附Cr3+平衡時(shí)間更短，去除率更高。閆惠［20］利用粉煤灰制備出了Na型沸石分子篩，探討了廢水中pH、重金屬離子（Cd2+和Ni2+）濃度、吸附時(shí)間等對(duì)吸附效果的影響。結(jié)果表明：在pH為6.0、較低廢水質(zhì)量濃度（100mg/L）、25℃下吸附2h的條件下，對(duì)2種重金屬離子效果最好，可達(dá)99％；隨著離子濃度增加，吸附容量增加，但去除率隨之降低，對(duì)2種重金屬離子均符合二級(jí)吸附速率模型。

2.2.2 去除水中氨氮

沸石分子篩去除水中氨氮主要是由于NH4+與其晶格中K+、Na+、Ca2+發(fā)生的離子交換作用。其反應(yīng)式：

式中，R為沸石分子篩；M+為沸石分子篩中的金屬離子。

美國(guó)Rosement污水廠利用斜發(fā)沸石進(jìn)行離子交換處理水量為2 260m3/d，水中氨氮去除率達(dá)95％以上。張群［21］用正硅酸乙酯為硅源，P123為模板劑，采用水熱晶化法直接合成出SBA-15分子篩，在最佳溫度（25℃）條件下，吸附2mol/L氨氮2h的吸附量達(dá)40.44mg/g。田琦等［22］研究發(fā)現(xiàn)：沸石分子篩對(duì)NH4+吸附速率為二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程；分子篩粒徑較小，堿性或弱酸性條件下，氨氮去除率較高。由于沸石分子篩的離子交換容量由硅鋁比決定，張建等［23］就對(duì)硅鋁比（SiO2與Al2O3物質(zhì)的量比，下同）分別為25及50的2種ZSM-5沸石分子篩對(duì)水中氨氮的吸附性能及影響因素進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，2種吸附等溫線均符合Langmuir模型，硅鋁比為25的分子篩比硅鋁比為50的分子篩對(duì)氨氮的吸附量更大。T.C.Jorgensen等［24］研究發(fā)現(xiàn)，斜發(fā)沸石去除廢水中氨氮的同時(shí)，有機(jī)物也被有效去除，且有機(jī)物的存在提高了沸石對(duì)氨離子的吸附量。

2.2.3 去除水中其他有害物

沸石分子篩還可去除水體中磷、放射性物質(zhì)、酚及油類、脫色、降氟污染物。有研究者用沸石床模擬吸附滇池暴雨徑流中磷的實(shí)驗(yàn)中，在前16h磷的去除率均達(dá)到50％。阮芳［25］研究了焙燒、酸/堿溶液處理等方式活化對(duì)沸石吸附甲基橙的效果，結(jié)果表明通過(guò)HCl處理后對(duì)甲基橙的脫色率達(dá)68.7％，是原沸石的3倍；進(jìn)一步負(fù)載TiO2，平衡吸附時(shí)間更長(zhǎng)，達(dá)90min，且再生性好。

3 結(jié)論與展望

沸石分子篩由于具有離子交換性、選擇吸附性、催化和耐酸耐熱性，且比表面積大，能有效去除大氣和水體污染中的有機(jī)/無(wú)機(jī)污染物，并在土壤改良、水土保持、垃圾滲濾液處理及核廢物處理中也得到廣泛研究與應(yīng)用，具有價(jià)廉易得、易再生、無(wú)二次環(huán)境污染的特點(diǎn)，可產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。但天然沸石礦畢竟有限，且效果不甚理想，采用人工合成的方法或與其他材料復(fù)合等制備出有效孔徑窄、選擇性更好的吸附劑是較好的途徑。采用新的改性方法，有效調(diào)控孔徑大小及吸附容量，針對(duì)應(yīng)用對(duì)象制備高效吸附材料，研究再生循環(huán)利用，降低材料消耗等也是研究的方向，尤其通過(guò)調(diào)變沸石分子篩的孔徑大小，使其適用于吸附大氣中微小顆粒物用于治理大氣環(huán)境中嚴(yán)重危害人類健康的霧霾方面，具有較大潛力。

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［23］張建，萬(wàn)東錦，朱云云，等.兩種ZSM-5沸石分子篩吸附水中氨氮的研究［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2011，34（8）：104-108.

［24］Jorgensen T C，Weatherley L R.Ammonia removal from wastewater by ion exchange in the presence of organic contaminants［J］.Water Research，2003，37（8）：1723-1728.

［25］阮芳.氧化鈦改性沸石材料處理有機(jī)廢水的性能研究［D］.北京：北京化工大學(xué)，2012.

Application research progress of zeolitemolecular sieve in air and water pollution control

Zhang Shichun1，Wang Enwen1，2，Lei Shaomin1，Huang Teng1
（1.School of Resources and Environmental Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；2.School of Resources Management and Environmental Science，Anshun University）

The structure and properties of zeolitemolecular sieve，and its research and application progress in the control of polluted atmosphere and water at home and abroad were introduced，respectively.The principle and advantages of zeolitemolecular sieve for the application in the fields of air purification and polluted water treatment were expounded.Then it was put forward that the research trend of zeolitemolecular sieve was to effectively control the pore size and the adsorption capacity，and to prepare highly efficient recyclable adsorption material based on different objects.It has provided the beneficial support for controlling China′s increasing atmospheric environment and water pollution.

zeolitemolecular sieve；adsorption；desulfurization and denitrification；water treatment

TQ127.2

A

1006-4990（2014）11-0009-04

2014-05-16

張世春（1989— ），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈V物材料在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用。

江蘇省科技廳科技基礎(chǔ)設(shè)施計(jì)劃（BM2010480）；國(guó)家科技部計(jì)劃（2009GJC10027）。

聯(lián)系方式：zsc19890204@163.com