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分子筛(沸石)-深度水处理中的应用

2019-06-21
 (1)  沸石
沸石成分:沸石(zeolite)族矿物是一种富含水的K、Na、Ca、Ba的铝硅酸盐。形成沸石族矿物的先决条件,必须有富含足够水分的碱和碱土金属的铝硅酸盐等成矿物质。
沸石具有很大的比表面积(500~1000m2/g)因而能产生较大的扩散力,故有很强的吸附能力。沸石晶格内部有很多大小均一的孔穴和通道,孔穴之间通过开口的通道彼此相连,并与外界沟通。孔穴和通道的体积占沸石晶体体积的50%以上,其中存在许多脱附自由的沸石水。沸石水的多少,可以随外界的温度和湿度变化而变化。
沸石内部的孔穴和通道在一定的物理化学条件下,具有精确而固定的直径(约3~11A),各种不同的沸石,其直径也不同,小于这个直径的物质能被其吸附,而大于这个直径的物质则被排除在外。这种现象被称为“分子筛”作用。郑州矿产综合利用研究所研究表明沸石不仅具有吸附水的性能,而且还具有吸附氧化钙、SO2、F2、氮、铵、甲醇以及吸附放射性物质的性能。沸石还有很好的热稳定性和吸附性。
(2)  沸石分子筛
① 分子筛特性
分子筛(沸石)具有晶体的结构和特征,表面为固体骨架,内部的孔穴可起到吸附分子的作用。分子筛是一类结晶的硅铝酸盐,它具有均一的孔径和极高的比表面积、热稳定性好、吸附性能强、内表面积大、强度高等特点。孔穴之间有孔道相互连接,分子由孔道经过。由于孔穴的结晶性质,分子筛的孔径分布非常均一。分子筛依据其晶体内部孔穴的大小对分子进行选择性吸附,也就是吸附一定大小的分子而排斥较大物质的分子,因而被形象地称为“分子筛”。
分子筛吸附或排斥的功能受分子的电性影响。合成沸石具有根据分子的大小和极性而进行选择性吸附的特殊功能,因而可以对气体或液体进行干燥或纯化,这也是分子筛可以进行分离的基础。
② 沸石分子筛的应用
a) 废水中氮、磷的去除:应用新型吸附材料沸石进行的吸附和离子交换处理法由于其占地面积小、工艺简单、操作方便、适用范围广,正备受人们关注。
b) 水中有机污染物的去除:由天然沸石的结构特点决定了它的内表面只能吸附一些较小的有机分子,如CCI4、CH4等小分子,而一些分子粒径比沸石孔径大的有机分子则不能进入沸石孔道内,但含极性基团或含可极化基团的有机物分子能在天然沸石外表面发生强烈吸附。沸石对有机污染物的吸附能力主要取决于有机物分子的极性和大小。含有极性基团的有机物分子能与沸石表面发生强吸附作用,易被吸附。例如,带有—COOH>C=O—NH2等宫能团的有机物有可能被沸石吸附,得以部分去除。其他一些常见的有机污染物如酚类、苯胺和氨基酸等多有极性,分子直径适中,可望被沸石吸附。
c) 水中重金属去除与回收:沸石可有效去除Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cb2+、和Hg2+。特别是用NaOH,HCI和NaCI处理过的活化沸石,其吸附交换性能可显著提高,天然沸石由于具有良好的吸附性及离子交换性在去除或回收废水中的重金属元素方面得到广泛的应用。
③ 新结构沸石分子筛
沸石分子筛是一类硅氧四面体和铝氧四面体通过共用氧原子相互连接成骨架结构、并具有均匀晶内孔道的晶态微孔材料,通常天然的和人工合成的沸石分子筛指的是硅铝酸盐。1982年美国联合碳化物公司Wilson与Flanigen等首次报道合成了20余种新型AlPO4-n分子筛,打破了沸石分子筛由硅氧四面体和铝氧四面体组成的传统观念。此后许多磷酸铝分子筛以及含杂原子(如Fe、Cr、Ti、V、Zr、Ga、等)的分子筛不断涌现。
1756年瑞典科学家Cronsted发现第一种天然沸石——辉沸石(STI)以来,至今已发现的天然沸石有30多种。人工合成沸石的研究始于40年代,已有120多种不同结构的沸石分子筛问世,同时也发展了许多快捷有效的表征技术。
目前,沸石分子筛在农村饮用水除氟的技术中被广泛应用

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