改性沸石結構穩定、成本低廉、應用廣泛,是近年來水處理行業研究的熱點。綜述了沸石分子篩在水處理領域的應用進展及前景,如飲用水處理工藝強化混凝、強化沉澱及強化過濾過程,汙水處理工藝深度處理過程,汙泥處理工藝中有機物及氨氮回收等。近年來,由於人類活動的影響,如工業廢水點源汙染,農業、城市徑流等多來源的非點源汙染,含化學物質的河水嚴重影響水生態系統。沸石具有多種晶體結構和較大的表面積、抗高壓、不溶於水或其他有機溶劑等特性,改性後的沸石對有機物和陰離子有很強的吸附能力,沸石分子篩因良好的熱穩定性和吸附性能、獨特的離子交換性質和較高的孔隙率,在水處理工藝中具有廣泛的應用前景。
一、沸石的合成和改性
天然沸石儘管具有很多優點,但在實際應用過程中,尤其是在水處理行業,仍存在應用效果不理想、不能針對性去除目標汙染物等問題。為充分發揮沸石的結構特點和物化性能,針對沸石合成與改性的方法得到迅速發展。
1988年,Chu等首次發表利用微波輻射合成沸石的專利,將結晶材料和熱傳導劑結晶介質混合,由微波提供熱能,開發了微波能量結晶多孔晶體組合物的方法。Cundy等和Murayama等研究水熱反應發現沸石合成共分3個階段:誘導期、成核期、生長期。Cooper等2004年報導了離子液體和共晶混合物製備磷酸鋁沸石的方法。2012年,Ren等發現了通過混合、研磨和加熱固體原料來合成各種類型沸石的無溶劑路線。
隨後針對醫藥合成、石油化工、環保工程等領域的沸石合成方法得到迅速發展。沸石改性方法可分為兩大類:改變沸石結構,即改變沸石的鋁矽比、中心原子數目及位置、比表面積、孔徑結構等;改變沸石表面活性,即引入靶向吸附活性基團,如引入金屬離子或原子、金屬氧化物、有機物等。不同改性方法對沸石性能的影響不同,一般從沸石吸附及離子交換能力方面進行改善。
二、改性沸石在水處理領域的應用
在水處理領域,依據沸石性能的不同可將其運用在飲用水預處理及常規工藝的強化、汙水處理中對高濃度汙染物質的去除、汙泥處理工藝中回收有用成分和去除重金屬等有害物質。
沸石可與絮凝劑結合使用,類似於分子篩在強化混凝中的作用。楊生明等利用3套分子篩裝置將分子篩與絮凝劑結合投加在汙水流經罐區的管線中,汙水濁度去除率達93.91%。但是在前處理中使用絮凝劑產生的絮體容易粘附在管道和工藝構築物上,清洗十分麻煩。相比而言,沸石分子篩在混凝工藝中的助凝效果更佳,從經濟角度考慮,一般選擇在混凝工藝投加沸石分子篩,而採用其他方式進行預處理。改性沸石在深度處理中的應用一般為針對氨氮及有機物的去除,改性沸石在高濃度氨氮廢水處理中一般結合其他工藝或技術手段共同使用。
另外,改性沸石可以回收汙泥中的有機物及氮磷。Liu等用3種混凝劑對沸石進行負載改性後提高了汙泥中有機物的回收率,該方法為汙泥中有機物回收利用和廢水的深度處理提供了參考。
總之,針對待去除汙染物對沸石進行改性,尋求合適的改性試劑,提高汙染物去除率;結合更簡便、高效、低成本的改性方式,提高改性成分負載能力,避免造成二次汙染,從而提高改性沸石的實用性。提高改性沸石的再生效率、減少沸石改性成分的流失,關係到沸石的應用成本及應用普適性。