摘要 沸石是一種具有良好吸附及離子交換性能的硅鋁酸鹽礦物，資源儲(chǔ)量豐富。沸石常被用于去除廢水中氨氮、磷、重金屬以及有機(jī)物等污染物。本文從沸石的結(jié)構(gòu)和組成入手，綜述了沸石的基本特性以及在污水處理中的研究現(xiàn)狀，并展望了應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 沸石；污水處理；研究現(xiàn)狀；應(yīng)用前景

中圖分類(lèi)號(hào) X52" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 1007-7731（2023）21-0119-04

Research status and application prospects of zeolite in" sewage-treatment

LI Xueying1， 2

（1School of Basic Medicine， Dali University， Dali 671000， China;

2School of Agriculture and Biological Sciences， Dali University， Dali 671003， China）

Abstract Zeolite is a type of aluminosilicate mineral with excellent adsorption and ion exchange properties， with abundant resource reserves. It is often used to remove pollutants such as ammonia nitrogen， phosphorus， heavy metals， and organic matter from waste water. This paper introducted the structure and composition of zeolite， reviewed the basic characteristics of zeolite and the research status in" sewage-treatment ， and prospected" the application prospects of zeolite in" sewage-treatment .

Keywords zeolite; sewage-treatment; research status; application prospect

沸石是由硅酸鹽礦物組成，廣泛分布于自然界中。沸石種類(lèi)繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其晶體骨架主要由硅氧或鋁氧四面體組成。沸石因具有離子交換、吸附和催化等多種特性，被作為吸附劑、離子交換劑和催化劑等廣泛應(yīng)用于化工、環(huán)保、飼料等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[1]。利用沸石處理污水，主要是利用沸石的離子交換特性和吸附作用對(duì)水中的污染物進(jìn)行處理，由于沸石的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，處理廢水不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。因此，以沸石作為污水處理材料，對(duì)水環(huán)境治理具有重要的意義。本文從沸石的結(jié)構(gòu)和組成入手，綜述了沸石的基本特性和沸石在廢水處理中應(yīng)用的研究進(jìn)展，并展望了沸石在污水處理中的應(yīng)用前景。

1 沸石的結(jié)構(gòu)和特性

1.1 沸石的結(jié)構(gòu)

沸石的基本骨架是由硅氧四面體或鋁氧四面體組成的，硅氧四面體或鋁氧四面體均可通過(guò)四面體頂端的氧原子彼此連接在一起，相鄰的2個(gè)四面體之間也是通過(guò)氧原子連接起來(lái)[1]。在鋁氧四面體為結(jié)構(gòu)的沸石中，鋁原子的化合價(jià)是正三價(jià)的，由于有一個(gè)氧原子的電價(jià)沒(méi)有得到中和，導(dǎo)致鋁氧四面體帶有一個(gè)單位的負(fù)電荷。沸石為了保持電中性，通常結(jié)合一個(gè)帶正電荷的金屬陽(yáng)離子以中和鋁氧四面體所帶負(fù)電荷，這種金屬陽(yáng)離子通常是Na+和K+離子[2]。天然沸石的分子式通常用（Na，K）x·（Ca，Sr，Ba，Mg）y·[Alx+2ySix+2yO2] n·mH2O來(lái)表示。式中，x為堿金屬的離子個(gè)數(shù)，y為堿土金屬的離子個(gè)數(shù)，n表示硅鋁離子數(shù)之和，m表示可能含有的水分子數(shù)[1]。沸石的結(jié)構(gòu)主要由3個(gè)部分組成：硅鋁酸鹽骨架、硅鋁酸鹽骨架中相互連接的孔隙以及孔隙中的陽(yáng)離子和水分子。沸石孔隙中的陽(yáng)離子能夠與水體中的陽(yáng)離子發(fā)生交換。沸石孔徑受孔隙中陽(yáng)離子的大小以及位置的影響，沸石孔隙大小與孔隙中陽(yáng)離子的大小以及位置的改變有關(guān)。此外，沸石孔隙中不同陽(yáng)離子產(chǎn)生的局部靜電場(chǎng)的不同，影響了沸石的吸附性能和催化性能[2]。

1.2 沸石的特性

沸石的吸附特性，沸石比表面積通常較大（一般為400～800 m2/g），孔徑均勻，特殊的分子結(jié)構(gòu)能夠在沸石的孔道內(nèi)形成較強(qiáng)的靜電引力，使沸石具有較好的吸附性能[2]。沸石的孔隙中充滿(mǎn)水分子，水分子與孔隙中的陽(yáng)離子會(huì)形成水化球，在300～400 ℃下烘烤數(shù)小時(shí)，沸石就會(huì)失去水分，使孔隙中的陽(yáng)離子暴露出來(lái)，使沸石對(duì)一些氣體或液體具有很強(qiáng)的吸附性能，特別是對(duì)NH3、SO2、NO2、CO2以及水蒸氣等分子具有很強(qiáng)的親和力。沸石與其他吸附材料相比，具有吸附容量大，吸附效率高以及吸附的專(zhuān)一性等優(yōu)點(diǎn)。

離子交換性能，沸石可在水溶液中進(jìn)行可逆的陽(yáng)離子交換反應(yīng)。沸石的陽(yáng)離子交換性能，主要與硅鋁比、孔隙大小、陽(yáng)離子的位置以及陽(yáng)離子的性質(zhì)有關(guān)。沸石孔隙結(jié)構(gòu)中的陽(yáng)離子多少是由沸石中的硅鋁比決定的。當(dāng)硅鋁比低時(shí)，沸石孔隙中負(fù)電荷較多，與溶液中的陽(yáng)離子交換性能就好。當(dāng)硅鋁比高，沸石帶負(fù)電荷較少，沸石交換溶液中的陽(yáng)離子性能就弱。常見(jiàn)的沸石，如斜發(fā)沸石具有較大的陽(yáng)離子交換容量，其理論交換容量可達(dá)213 mg/100 g，對(duì)陽(yáng)離子交換的能力順序[1]為Cs+gt;Rb+gt;K+gt;NH4+gt;Ba2+gt;Sr2+gt;Na+gt;Ca2+gt;Fe3+gt;Al3+gt;Mg2+gt;Li+。沸石孔徑的大小，也是影響離子交換的一個(gè)重要因素。

沸石不僅有良好的吸附和離子交換性能，還具有催化特性，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)在沸石晶體內(nèi)部的大孔隙中進(jìn)行時(shí)，沸石就會(huì)表現(xiàn)出極佳的催化性能，使化學(xué)反應(yīng)速率大大加快，而沸石的晶體結(jié)構(gòu)則不被破壞。沸石除具有上述性能外，還有熱穩(wěn)定性好、耐酸（堿）、脫水性和耐輻射等多種特性[2]。沸石的這些優(yōu)良特性，使沸石在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。

2 沸石在污水處理中的研究現(xiàn)狀

沸石因具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、廉價(jià)以及對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)而受到研究者關(guān)注。沸石作為污水處理新型功能性材料，具有廣闊的應(yīng)用前景，其在污水處理中的應(yīng)用研究已成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[3]。

2.1 吸附污水中的氨氮

水體中氨氮含量過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，引發(fā)藻類(lèi)大量繁殖，大量消耗水體中的溶解氧，使水體溶氧下降，易導(dǎo)致水生生物缺氧而亡。水生生物死亡后的尸體發(fā)生腐敗，又會(huì)大量釋放氨氮，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致水體生態(tài)系統(tǒng)失衡。沸石吸附去除污水中氨氮的研究已取得了一定成果。20世紀(jì)70年代就有沸石吸附廢水中氨氮的報(bào)道，研究?jī)?nèi)容主要涉及吸附影響因素、吸附機(jī)理、沸石的改性及再生等方法。劉麗芳等[4]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)NaCl改性的沸石對(duì)氨氮的吸附性能大大提高，最大吸附容量可達(dá)3.38 mg/g，是未改性沸石的1.41倍。孫彤等[5]選用產(chǎn)自河南鞏義的天然沸石，采用常壓水熱合成方法，制成A型分子篩，對(duì)氨氮的吸附性能研究，發(fā)現(xiàn)沸石經(jīng)合成處理后，吸附氨氮的性能顯著提高，吸附容量可達(dá)20 mg/g。班福忱等[6]利用改性沸石去除氨氮，去除率可達(dá)96.71%。

2.2 吸附重金屬

在工業(yè)化生產(chǎn)中，通常會(huì)產(chǎn)生一些金屬，如汞、鎘、鉛、鉻以及類(lèi)金屬砷。這些金屬和類(lèi)金屬進(jìn)入水體后，會(huì)污染水體，導(dǎo)致水生生物死亡[7]。此外，重金屬還可通過(guò)飲水、飲食或者直接接觸的方式進(jìn)入人體，引發(fā)比較嚴(yán)重的疾病。沸石去除水體中重金屬的研究已有報(bào)道。張曉等[8]用天然沸石為吸附劑去除重金屬離子，研究發(fā)現(xiàn)天然沸石對(duì)Pb、Cu、Cd和Zn這4種金屬均具有較好的吸附作用，吸附優(yōu)勢(shì)大小順序?yàn)镻bgt;Cugt;Cdgt;Zn。Vaca等[9]研究了墨西哥斜發(fā)沸石對(duì)Pb2+、Cd2+和Cr6+的吸附作用，發(fā)現(xiàn)Pb2+在pH值為8.0時(shí)，Cd2+在pHlt;10時(shí)，去除效果較好，可達(dá)95%；對(duì) Cr3+也有較好的去除能力，但對(duì)Cr6+的去除效果不理想。Curkovic[10]的研究表明天然沸石對(duì) Pb2+和Cd2+有良好的吸附作用。李虎杰等[11]對(duì)浙江縉云天然斜發(fā)沸石進(jìn)行改性研究，發(fā)現(xiàn)以熱酸改性的斜發(fā)沸石對(duì)Pb2+的吸附效果最好。

2.3 吸附有機(jī)污染物

大量排放含有有機(jī)物的生活污水、工業(yè)廢水會(huì)導(dǎo)致水體有機(jī)物污染。水體有機(jī)污染物在水中進(jìn)行生物氧化分解，需消耗大量溶解氧。如果水體中溶氧不足，就會(huì)引起有機(jī)物的厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生惡臭物質(zhì)，污染水體，毒害水生生物。沸石對(duì)有機(jī)污染物的吸附作用的強(qiáng)弱取決于有機(jī)污染物的極性和分子大小[12]。Razee等[13]研究發(fā)現(xiàn)天然斜發(fā)沸石對(duì)苯酚、苯胺、4-甲基苯胺、4-硝基酚、2-甲基-4-硝基酚均有較好的吸附作用，其對(duì)上述有機(jī)物總體吸附率為45%～64%。陶紅等[14]利用天然巖石礦物制備13X沸石，并將13X沸石用于吸附污水中的苯酚，結(jié)果表明13X沸石對(duì)苯酚的吸附率與吸附量分別可達(dá)96%和10 mg/g。

2.4 吸附水中的氟

氟是一種人體必需的微量元素，但飲用氟含量過(guò)高的水則會(huì)引起氟中毒，兒童若長(zhǎng)期氟中毒，可能會(huì)患氟斑病和氟骨癥[15]。研究表明，天然沸石和改性沸石對(duì)氟均具有較強(qiáng)的吸附作用[16-17]。劉文質(zhì)等[16]將天然斜發(fā)沸石經(jīng)堿液改性處理后，利用改性沸石對(duì)高氟飲用水進(jìn)行吸附處理，可使飲用水含氟量由初始濃度3～10 mg/L降低到0.5～0.8 mg/L，達(dá)到國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)。Arcibar等[17]利用殼聚糖與沸石按一定比例混合制備成的復(fù)合材料對(duì)水體中氟化物進(jìn)行吸附處理，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的吸附能力強(qiáng)于兩種物質(zhì)單獨(dú)使用時(shí)的吸附性能。

2.5 吸附放射性物質(zhì)

水體中存在的放射性物質(zhì)可能對(duì)生物體的核酸造成損傷，甚至?xí)鹕锏倪z傳分子發(fā)生突變。沸石對(duì)放射性物質(zhì)具有較好的吸附去除作用。Elizondo等[18]研究了天然斜發(fā)沸石吸附廢水中放射性物質(zhì)137Cs和90Sr，發(fā)現(xiàn)天然斜發(fā)沸石對(duì)137Cs和90Sr均有良好的吸附作用。Abusafa等[19]研究斜發(fā)沸石對(duì)水中137Cs 的吸附作用，發(fā)現(xiàn)斜發(fā)沸石對(duì)137Cs具有較好的吸附性能。Chang等[20]研究天然斜發(fā)沸石和人工合成沸石對(duì)90Sr和137Cs的吸附作用。結(jié)果顯示，人工合成的Na-Y型沸石對(duì)90Sr和137Cs的吸附性能要優(yōu)于天然斜發(fā)沸石。

2.6 吸附污水中的磷

目前，污水中脫磷技術(shù)主要有結(jié)晶法、化學(xué)沉淀法、生物法、吸附法和離子交換法。結(jié)晶法、化學(xué)沉淀法、生物法和離子交換法除去污水中的磷具有能耗高、條件苛刻、成本大和可能造成二次污染等缺點(diǎn)。吸附法通常是用一些具有吸附性能的環(huán)境友好型材料吸附去除污水中的磷，具有能耗低、效率高、操作簡(jiǎn)便以及易于推廣應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。天然沸石吸附性能較好，成為當(dāng)前吸附去除污水中磷的首選材料。然而，天然沸石吸附磷的容量通常較小，但經(jīng)過(guò)改性之后的沸石對(duì)磷的吸附量會(huì)增加，能較好地吸附去除污水中的磷。李海芳[21]研究了浙江縉云天然斜發(fā)沸石和改性斜發(fā)沸石吸附污水中的磷，發(fā)現(xiàn)天然斜沸石對(duì)磷的吸附效果較差，去除率僅為10%左右，但經(jīng)鑭、鋯這2種稀有金屬化合物改性后的斜發(fā)沸石則可大幅度提高吸附磷的能力，吸附去除率分別達(dá)到75.5%和74.4%，對(duì)鑭改性沸石經(jīng)高溫處理后，對(duì)磷的吸附去除率可達(dá)86%。趙丹[22]將河南鄭州天然斜發(fā)沸石經(jīng)氯化鐵聯(lián)合焙燒復(fù)合改性后，研究復(fù)合改沸石去除污水中的磷，發(fā)現(xiàn)當(dāng)復(fù)合改沸石投加量為0.25 mg/L，吸附溫度為30 ℃，廢水中磷的初始濃度為10 mg/L，吸附9 h，復(fù)合改性沸石對(duì)磷的去除效果較好，去除率可達(dá)98.5%。

3 結(jié)語(yǔ)

沸石的應(yīng)用領(lǐng)域已涉及化學(xué)催化、飼料工業(yè)、建筑和環(huán)保等多個(gè)行業(yè)[1]。沸石由于其穩(wěn)定性好、來(lái)源廣、價(jià)格低廉以及對(duì)環(huán)境友好，而越來(lái)越受到環(huán)境科學(xué)家的關(guān)注。利用沸石吸附去除環(huán)境污染物的研究成為當(dāng)前環(huán)境保護(hù)應(yīng)用研究的熱點(diǎn)之一，特別是沸石用于污水處理的研究已有許多報(bào)道。沸石用作污水處理材料，具有成本低、效果好和對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。作為一種新型的污水處理材料，沸石已由實(shí)驗(yàn)室走向了工業(yè)化，近年來(lái)已有多種沸石被應(yīng)用于污水處理的實(shí)際生產(chǎn)中。由于各種污水的成分差異，針對(duì)特定污染物需要對(duì)天然沸石進(jìn)行改性處理，提高沸石的吸附性能才能使沸石發(fā)揮最優(yōu)的吸附效果，通過(guò)對(duì)沸石進(jìn)行改性處理，在一定程度上可提高污水處理的效率，并可提高整體經(jīng)濟(jì)效益。因此，沸石的改性研究將是今后研究的一個(gè)熱點(diǎn)。隨著對(duì)沸石研究的不斷深入，沸石在環(huán)境污水治理方面將展現(xiàn)出更廣闊的應(yīng)用前景，期待在未來(lái)環(huán)境污染治理過(guò)程中，以沸石為吸附材料的污水處理工藝，可更好的應(yīng)用于水污染防控體系中。

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（責(zé)編：馬世堂）