過濾是城鎮給水處理、污水處理中的重要工序,是保障水質達標的重要手段。適宜的濾料是影響濾池發揮效能的重要因素,是關系濾池結構形式、運行成本和正常操作的關鍵因素。沸石是一種天然的多孔硅鋁酸鹽礦物質,它具有較大的孔隙率和比表面積的特性,并且具有良好的吸附性能和選擇性離子交換性能,極性分子和細菌容易富集在其上。沸石濾料與傳統水處理濾料(石英砂、陶粒等)相比,具有處理效果好、價格低等優勢,所以沸石在水處理中的應用越來越廣泛。
沸石一般可用化學式(M,N2) O2·Al2O3·nSiO2·mH2O表示,式中M代表著陽離子,?N2分別代表一價的陽離子,是一族含水鋁硅酸鹽礦物。其中斜發沸石、絲光沸石、菱沸石等在水處理中的應用比較多。沸石的粒徑規格型號很多,差別也很大,粒徑大的可達幾cm,小的可到幾μm。沸石的基本結構是四面體的結合體,其中Si原子為結合體的中心,4個頂點為有氧配置的SiO4及AlO4,硅(鋁)?氧四面體是依靠中間的氧原子相連接。沸石中空穴或籠是在三維空間上形成多種形狀的規則四面體構,這些空穴和籠通過不同形式連接就構成了沸石的孔道體系。陽離子和水分子是在沸石的空穴和孔道中占據著。
具體來說,沸石在水處理領域的應用包括以下幾個方面:
第一,在給水和微污染水處理中的應用。 天然沸石具有表面粗糙,比表面積大,吸附能力強的特點,沸石可以在給水處理中作為濾池填料。然而視比重小,屬于天然輕質濾料。沸石可用來截留和吸附水中的懸浮物、藻類等污染物,降低出水濁度。氨氮是水源中的主要污染物,是凈水處理中重點去除的對象之一。沸石具有良好的離子選擇交換性能,尤其是對氨離子。而沸石還是一種極性吸附劑,它對極性有機物有較好的吸附效果,此外沸石還是一種比較理想的生物載體,對細菌具有富集作用。
沸石具有和生物活性炭、生物陶粒一樣的過濾和吸附性能,并對氨氮去除效果會更加明顯,所以可以用沸石處理微污染原水,沸石具有極好的抗沖擊負荷能力。隨著污染的加劇,原水中存在著很多污染物,有機污染物其中一類主要污染物。有機物分子的極性和大小決定著沸石對其的吸附能力,極性分子與非極性分子相比容易被吸附,隨著分子直徑的增大,被吸附進人孔穴的可能性就越小。沸石可以吸附一些分子直徑始終的常見的有機污染物,例如如酚類、苯胺、苯醒、氨基酸等等。曝氣生物濾池在污水中的應用越來越廣泛,沸石作為其濾料可以處理低濃度的生物污水。另外,值得注意的是, 由于天然沸石的破碎磨損率較大,沸石作為濾料在使用前需經過一定的預處理以提高其強度。
第二,在廢水處理中的應用。沸石可以用來強化活性污泥系統對有機物和氨氮的去除效果。沸石強化活性污泥系統對于氨氮的沖擊具有明顯的耐受性,投加沸石提高曝氣池中的硝化細菌類群數量,提高硝化速率,明顯提高出水中的NO2– N?濃度。沸石具有獨特的晶體結構,比表面積較大,具有巨大活性表面,因此使其具有強大的色散力。而沸石孔穴中分布的陽離子和部分架氧具有負電荷相互平衡 ,因此在離子周圍可以形成強大的電場,因此沸石又具有靜電力。沸石同時具有色散力與靜電力導致沸石的吸附力特別強。靜電力可以使得沸石對極性、不飽和、易極化分子具有優先的選擇吸附作用,即沸石本身是一種極性物質,其中陽離子可以發出較強局部正電場,極性分子的負極中心被電場吸引,或是通過靜電誘導使可極化的分子極化,沸石容易吸附極性強或容易被極化的分子。因此沸石吸附特性既有物理吸附也有化學吸附。
沸石中具有大量的微孔,微孔徑多數都在10nm以下,一般物質的分子大小與微孔孔徑相近,因此形成了分子篩的選擇特性。進入沸石晶穴內部的分子大小是由沸石的孔徑來決定的,只有比沸石孔徑小的分子或離子才可以進入到沸石的結構中。進人沸石表面的陽離子則與沸石晶格中的陽離子等發生交換,但其極性結構不會遭到破壞,從而使水中陽離子污染物得到有效的去除。
綜上所述,沸石濾料,在水處理領域中的應用前景廣闊,具有重要環境效益、社會效益和經濟效益。