沸石的离子交换和吸附特性及应用

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：由于天然沸石所具有的离子交换和吸附性质，它可以被制成各种复合吸附剂或离子交换剂，用来处理含金属离子废水。但是天然沸石的吸附性能往往比较差，因为其孔道比较小，吸附量也比较小。天然沸石由于其本身结构的局限使其应用受到限制，常用的是经人工处理的沸石。结果表明，多孔天然沸石颗粒对铜离子有较强的吸附性。将天然沸石用食盐改性后可以作为优良的硬水软化离子交换剂。

沸石是一类疏松的网架状铝硅酸盐矿物。沸石中含有移动性较大的阳离子和水分子，可进行阳离子交换。由于天然沸石所具有的离子交换和吸附性质，它可以被制成各种复合吸附剂或离子交换剂，用来处理含金属离子废水。但是天然沸石的吸附性能往往比较差，因为其孔道比较小，吸附量也比较小。沸石的骨架通常可以表示为如图4-20的结构。

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图4-20　沸石骨架结构示意图

沸石分子筛的骨架是由硅氧（SiO2）四面体和铝氧[（AlO2）-]四面体通过氧桥相互联结而形成的笼状（â或á）结构单元。其中A型结构中â笼之间是通过4个氧原子相互联结形成á笼，X或Y型结构中â笼之间通过6个氧原子相互联结产生超笼。A型和X型沸石拥有大孔体积和大自由孔径的结构，与A型沸石相比，X型具有更大的孔容和孔直径，在变压吸附过程中气体的吸附是发生在直笼或超笼中。X型沸石具体的超笼状结构单元如图4-20所示。对X型沸石骨架中阳离子的位置可划分为SI（位于连接八面体笼的六边棱柱的中心）、SI’（位于八面体笼上六圆环中）、SII（位于连接八面体笼外六圆环的超笼中）、SII’（位于邻近六圆环的八面体笼中）和SIII（位于邻近四圆环的超笼中）。

天然沸石由于其本身结构的局限使其应用受到限制，常用的是经人工处理的沸石。为改善天然沸石的吸附特性，将它的粉体和易燃性微粉按一定比例混合，在高温下灼烧成多孔质高强度沸石颗粒，从而拓宽了其孔洞和通道，不仅增大了沸石颗粒的表面积，而且还使水溶液在沸石颗粒中的渗透性更加顺畅，提高了它对金属离子的吸附性能。

有研究表明，颗粒吸附剂适当处理后，就它对铜离子的吸附性能及有关影响因素进行了试验。结果表明，多孔天然沸石颗粒对铜离子有较强的吸附性。

除了吸附金属离子以外，沸石作为水处理吸附剂还可以有以下作用：

1.有机污染物吸附剂

利用沸石的高选择性和吸附性能，开发出有机污染物吸附剂。沸石对有机物的吸附能力取决于有机物分子的极性和大小。由于沸石本身的结构以及性质，极性有机物分子更容易被吸附。含有极性基团的有机物分子能够与沸石表面发生强烈的吸附作用。微小的非极性分子可以直接进人沸石的空穴内。

2.氨氮去除剂

沸石因具有对阳离子的选择性交换能力以及可再生能力可以被用来去除水中氨氮。

3.作为离子交换剂使用

沸石具有优良的离子交换性能，因此可以用来作为硬水软化以及工业废水中重金属离子去除的离子交换剂。将天然沸石用食盐改性后可以作为优良的硬水软化离子交换剂。

4.废水滤料

沸石表面粗糙、比表面积大、吸附能力强，属于天然轻质滤料，可以用来去除悬浮物，藻类等等。