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分子篩(沸石)-深度水處理中的應用

 (1)  沸石
沸石成分:沸石(zeolite)族礦物是一種富含水的K、Na、Ca、Ba的鋁硅酸鹽。形成沸石族礦物的先決條件,必須有富含足夠水分的堿和堿土金屬的鋁硅酸鹽等成礦物質。
沸石具有很大的比表面積(500~1000m2/g)因而能產生較大的擴散力,故有很強的吸附能力。沸石晶格內部有很多大小均一的孔穴和通道,孔穴之間通過開口的通道彼此相連,并與外界溝通。孔穴和通道的體積占沸石晶體體積的50%以上,其中存在許多脫附自由的沸石水。沸石水的多少,可以隨外界的溫度和濕度變化而變化。
沸石內部的孔穴和通道在一定的物理化學條件下,具有精確而固定的直徑(約3~11A),各種不同的沸石,其直徑也不同,小于這個直徑的物質能被其吸附,而大于這個直徑的物質則被排除在外。這種現象被稱為“分子篩”作用。鄭州礦產綜合利用研究所研究表明沸石不僅具有吸附水的性能,而且還具有吸附氧化鈣、SO2、F2、氮、銨、甲醇以及吸附放射性物質的性能。沸石還有很好的熱穩定性和吸附性。
(2)  沸石分子篩
① 分子篩特性
分子篩(沸石)具有晶體的結構和特征,表面為固體骨架,內部的孔穴可起到吸附分子的作用。分子篩是一類結晶的硅鋁酸鹽,它具有均一的孔徑和極高的比表面積、熱穩定性好、吸附性能強、內表面積大、強度高等特點。孔穴之間有孔道相互連接,分子由孔道經過。由于孔穴的結晶性質,分子篩的孔徑分布非常均一。分子篩依據其晶體內部孔穴的大小對分子進行選擇性吸附,也就是吸附一定大小的分子而排斥較大物質的分子,因而被形象地稱為“分子篩”。
分子篩吸附或排斥的功能受分子的電性影響。合成沸石具有根據分子的大小和極性而進行選擇性吸附的特殊功能,因而可以對氣體或液體進行干燥或純化,這也是分子篩可以進行分離的基礎。
② 沸石分子篩的應用
a) 廢水中氮、磷的去除:應用新型吸附材料沸石進行的吸附和離子交換處理法由于其占地面積小、工藝簡單、操作方便、適用范圍廣,正備受人們關注。
b) 水中有機污染物的去除:由天然沸石的結構特點決定了它的內表面只能吸附一些較小的有機分子,如CCI4、CH4等小分子,而一些分子粒徑比沸石孔徑大的有機分子則不能進入沸石孔道內,但含極性基團或含可極化基團的有機物分子能在天然沸石外表面發生強烈吸附。沸石對有機污染物的吸附能力主要取決于有機物分子的極性和大小。含有極性基團的有機物分子能與沸石表面發生強吸附作用,易被吸附。例如,帶有—COOH>C=O—NH2等宮能團的有機物有可能被沸石吸附,得以部分去除。其他一些常見的有機污染物如酚類、苯胺和氨基酸等多有極性,分子直徑適中,可望被沸石吸附。
c) 水中重金屬去除與回收:沸石可有效去除Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cb2+、和Hg2+。特別是用NaOH,HCI和NaCI處理過的活化沸石,其吸附交換性能可顯著提高,天然沸石由于具有良好的吸附性及離子交換性在去除或回收廢水中的重金屬元素方面得到廣泛的應用。
③ 新結構沸石分子篩
沸石分子篩是一類硅氧四面體和鋁氧四面體通過共用氧原子相互連接成骨架結構、并具有均勻晶內孔道的晶態微孔材料,通常天然的和人工合成的沸石分子篩指的是硅鋁酸鹽。1982年美國聯合碳化物公司Wilson與Flanigen等首次報道合成了20余種新型AlPO4-n分子篩,打破了沸石分子篩由硅氧四面體和鋁氧四面體組成的傳統觀念。此后許多磷酸鋁分子篩以及含雜原子(如Fe、Cr、Ti、V、Zr、Ga、等)的分子篩不斷涌現。
1756年瑞典科學家Cronsted發現第一種天然沸石——輝沸石(STI)以來,至今已發現的天然沸石有30多種。人工合成沸石的研究始于40年代,已有120多種不同結構的沸石分子篩問世,同時也發展了許多快捷有效的表征技術。
目前,沸石分子篩在農村飲用水除氟的技術中被廣泛應用

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