張洪源(天津職業(yè)大學，天津 300410)

0 引言

沸石作為一種礦石，其最早是由瑞典科學家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、導電性等特點，令其在化工領域、工業(yè)領域中具有較高的應用價值。經(jīng)過諸多學者的研究及工業(yè)企業(yè)的實踐，沸石在污水處理中具有較大的應用價值，特別是在近年來水污染日益嚴重的情況下，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，沸石可進行循環(huán)利用，通過分子結構的交換特性，可有效實現(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提供新的發(fā)展方向。

1 沸石結構特性解析

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

圖1 沸石的結構

沸石作為孔狀、中空簇架狀結構的多孔性材料，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)，保證分子結構的傳輸通道是以多維形式存在的。天然沸石所具備的結構特性，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，且分子結構之間呈現(xiàn)出電荷耦合效應，因此沸石顯示出一定的靜電效應，令沸石外部產(chǎn)生一個電磁場。當沸石內(nèi)部的分子結構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)生化學反應時，且此類反應載體是建立在大孔徑的分子結構上來實現(xiàn)的，在一定程度上，將加快反應效率，且反應生成物充滿分子結構空間時，將自動向外溢出。此類反應物的溢出是不會破壞沸石內(nèi)的晶體結構，進而可以穩(wěn)定的實現(xiàn)催化作用、吸附效用等，令沸石物質(zhì)在反應中可充當載體的作用。

2 沸石在水處理中的應用

2.1 有機污染物的處理

水體污染中有機物是常見的污染形式。沸石在對有機污染物進行處理時，主要是通過自身的吸附功能，對含有極性有機化合物分子進行吸收，當然，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構屬于定性化，在吸收過程中只能對小于分子結構的極性有機分子進行吸收，當極性有機物分子粒徑越大，則越不容易被吸收。但有機物污染物中含有極性基團的分子時，則可在沸石表面發(fā)生強烈的吸附反應，例如CH2Cl2、CHCl3、C2H3Cl3等，均可將沸石表面作為反應載體，以提高實際吸附效率。例如，在對天然水中的氯化物成分進行去除時，通過將具有芳香族結構的分子進行吸收，可有效起到水體過濾的作用。通過不斷的實踐認證，我國科學家將天然沸石應用到呈現(xiàn)出有色有機物的自然水中，然后通過控制水體內(nèi)部的聚合物，以達到苯胺凈化的效用。

2.2 氨氮污染物的處理

水體中氨氮物質(zhì)的含量超出基準值時，則將產(chǎn)生富營養(yǎng)化的現(xiàn)象，進而為水體中藻類物質(zhì)的生長提供有利環(huán)境，當藻類物質(zhì)大量聚集時，將產(chǎn)生嚴重的水華現(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，導致沸石在進行交換時存在一定的順位特性。通過理論與實踐的不斷驗證，利用天然沸石對水體進行去污處理時，其中效果最為顯著的則是斜發(fā)沸石，經(jīng)數(shù)據(jù)驗證，利用斜發(fā)沸石在水體中進行等離子交換，對氨氮物質(zhì)的去除率高達94%。但斜發(fā)沸石在實際應用過程中，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到最大值，則必須對整個反應環(huán)境進行分析與測定，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。當水體中的氟元素含量超標時，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。在對含氟水體進行凈化處理時，傳統(tǒng)的凈化技術在具體落實中存在局限性問題，難以形成范圍性的推廣。沸石在實際應用過程中，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行吸附，為進一步增強沸石的活性，對天然沸石進行活化處理，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一步增強，并可通過解吸劑在沸石完成吸附水體中的氟離子后，可實現(xiàn)再生，保證活化沸石的重復利用。

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)部物理結構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。由體積效應可知，當沸石結構的塑性與尺寸呈現(xiàn)出線性關系時，整個結構參數(shù)可以規(guī)定為因成分不同而導致內(nèi)部結構的承載能力變大[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行置換。在置換過程中，由于鈉離子是小于沸石內(nèi)部結構的孔隙，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)下進入到沸石結構內(nèi)部，并隨著沸石內(nèi)部結構進行有序性傳輸，這就令沸石具備較高的離子交換能力。我國科學家通過軟化實驗，利用沸石對水體進行軟化處理，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，軟化后的水體已經(jīng)達到工業(yè)用水需求。此外，通過沸石還可有效對海水進行重金屬處理，通過對沸石進行堿化處理，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，進而對生態(tài)環(huán)境起到一定的保護作用。

2.5 放射性物質(zhì)處理

放射性物質(zhì)在進行處理時，主要是對水體中的Cs、Sr等離子進行交換，在交換時沸石所吸附的Cs可以不進行清除處理，而可以直接將具有Cs離子的沸石當成是放射源進行利用，以此來提高利用效率。如需將放射性物質(zhì)進行處理時，需對沸石進行高溫熔化，令具有放射性的離子固定在沸石結構中，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用前景展望

一定體積下的沸石處理能力為一定值，當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)進行吸附反應，此時，則需對沸石進行再生化處理，對內(nèi)部結構存在的吸附離子、交換離子等進行處理，令其重新具備相應的吸附能力。目前，針對飽和沸石的再生機制，可采用化學、物理兩種方法來進行操作，如常見的NaCl、Na(OH)、Ca(OH)2等試劑可作為再生劑對沸石進行活化。但在實際還原過程中，應針對沸石所吸附的雜質(zhì)進行特性分析，保證對沸石結構內(nèi)的離子可最大限度的消除。例如，在對有機物較多的物質(zhì)進行清除時，可先將飽和狀態(tài)的沸石進行高溫加熱處理(550～650℃)，此狀態(tài)下熱沸石所吸附的有機雜質(zhì)更容易去除干凈；在對含有重金屬的飽和沸石進行處理時，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，進而達到再次使用的目的。

從技術發(fā)展角度來看，沸石作為新型水處理材料，其實際應用正處于初級階段，部分理論與實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為著力點。

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

第二，將沸石處理工藝與催化、氧化類處理工藝相結合，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特性進行改性，令兩種處理形式可同時發(fā)揮出應有的效用，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，對水源進行更高效率的處理。但考慮到活性炭成本較高，在實際結合時，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)濟產(chǎn)出比。

4 結語

綜上所述，利用沸石進行水處理是一種新型的工藝體系，通過對沸石進行改性處理，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基礎。