学文网摘要：沸石是一种天然而价廉的多孔矿物质，由于天然沸石具有良好的离子交换特性和吸附性能有望成为饮用水处理中重要的吸附剂。文中笔者根据天然沸石的化学性质，对生物沸石及其研究现状进行了论述，详细介绍了沸石在水处理中的应用，指出天然沸石处理高浓度氨氮废水及其工程应用将是研究的重要方向之一。
关键词：生物沸石、应用、去污
中***分类号： TK223 文献标识码： A 文章编号：
前言
饮用水的质量关系着人们的生命安全，所以，为了改善饮用水水质中的消毒副产物，《生活饮用水卫生规范》于2001年9月1日执行由我国卫生部颁布。原有处理工艺的质量直接关系到我国饮用水水质标准的提高，改造原有处理工艺，便于开发出新的饮用水处理剂。沸石是一种拥有良好的吸附性和离子交换特性的天然价廉的多孔矿物质，在吸附剂的选择上非常有潜力。
二、沸石物理化学性质
沸石的物理及化学性质主要包含了以下几点：
1、吸附性能
当沸石架构中的水被去除后，形成内表面很大的孔穴，可吸附并储存大量的分子，因此沸石的吸附量远远超过其他物质；沸石孔穴、孔道大小均匀、固定， 和普通分子的大小相当，因此具有选择吸附、筛分分子性能；沸石在色散力和静电力的共同作用下对H2O、NH3、H2S、CO2等极性分子具有很高的亲和力，具有高效吸附性能。由于静电力的关系，沸石对极性、不饱和极化分子具有优先的选择吸附作用。
2、离子交换性能
沸石空间最基本的结构单位是硅氧（SiO4） 四面体和铝氧(AlO4) 四面体。其中1 个氧原子的价电子没有得到中和，使得整个铝氧四面体带一个负电荷，为保持电中性，铝氧四面体附近必须有一个带正电荷的金属阳离子(A+)来抵消它所带的负电荷(通常是碱金属或碱土金属离子)。但沸石中的Na+、K+等金属阳离子与硅铝氧骨干结合得相当弱，进入沸石表面的阳离子则与沸石晶格中的阳离子如Na+、K+等交换，通常斜发沸石的阳离子交换顺序为： Cs+>Rb+>NH4+>K+>Na+>Li+>Ba2+>Sr3+>Ca2+>Mg2+，
常规强酸性树脂阳离子选择顺序：
Fe3+>Ca2+>Mg2+>K+>NH4+>Na+>H+>Li+
交换后沸石结构不被破坏，还可以再生。其反应机理可用如下反应式表示(以NH4+离子为例)：除氨机理： Z-Na++NH4+Z-NH4++Na+ （其中，Z代表沸石骨架）。
3、催化性能
沸石具有良好的催化性能，是有效的催化剂和催化剂载体。沸石催化的许多反应属于正碳离子型，经过正碳离子中间体发生反应，包括催化裂化、异构化、烷基化等反应，主要应用于石油化工领域。将沸石作为载体，负载上具有催化性的金属，可以显示出更好的催化活性。如光催化中利用沸石作载体负载TiO2制备的光催化剂。沸石之所以能做催化剂或催化载体，主要和沸石结构中的酸性位置、孔穴大小以及阳离子交换性能有关。许多具有催化活性的金属离子，可以通过离子交换进入沸石孔穴中，随后还原为元素状态或转变成具有催化活性的化合物。由于处在极高的分散状态，不仅提高金属的利用效率，而且提高抗中毒效应，从而改善沸石的催化性能。
4、稳定性能
天然沸石如斜发沸石、丝光沸石、菱沸石、毛沸石等，具有良好的耐酸性和热稳定性。天然沸石的热稳定性取决于沸石的硅与铝和平衡阳离子的比率。一般在其组成变化范围内，硅含量越高则稳定性越好。
三、生物沸石及其研究现状
Tsuno等在1994年首次提出了“生物沸石”的概念。在污水生物处理系统中， 沸石既可以做微生物的载体，又通过离子交换作用吸附氨氮，沸石对氨氮的吸附和硝化可以同时在沸石表面发生。用沸石曝气生物滤池处理氨氮浓度波动较大的进水时发现，当进水氨氮浓度较高时，沸石吸附氨氮；当进水浓度较低时，沸石解吸释放氨氮，而被附着在沸石表面的硝化菌硝化。在我国，生物沸石研究主要体现在生物沸石处理微污染水源水、城市二级出水等低浓度氨氮废水的小试、中试应用上。通过生物沸石反应器处理微污染水的模型试验研究表明生物沸石反应器具有和生物活性炭、生物陶粒一样的性能，对原水中NH4+-N、NO2-N、Mn、有机物、色度、浊度等去除率可分别达90.4%、93.4%、95%、30%、72%、77% 。采用沸石曝气生物滤池(ZBAF) 处理生活污水的中试结果表明，在水力负荷为2.2m3/(m2・h) 时， 该滤池对COD、NH4+-N 和浊度的去除率分别可达73.9%、88.4%和96.2%，而且NH4+-N的去除效果受水力负荷的影响比COD和浊度的大。利用自行研制的生物沸石滤池处理污染水源水的中试结果表明，水力负荷对NH4+-N、CODMn、铁、锰、浊度的去除都有不同程度的影响。在最佳水力负荷为3.18m3/(m2・h) 时，NH4+-N、CODMn、浊度的去除率分别为75.2%、31.8%、48.2%。目前已经研制出一种高效、经济、环保的新型生物沸石填料，该填料为生物沸石和悬浮球填料有机组合在一起，与悬浮球填料相比，该填料比表面积增加约2到4倍，表面粗糙。该新型填料长有的生物膜致密，沸石内部的孔穴中长有较多的原生物，有利于氨氮的转化。
四、沸石在水处理中的应用
1、去除水中氨氮
随着我国经济建设的迅猛发展以及人口的剧增，用水量越来越大，必然产生大量的含有氨氮的生活污水和工业废水。大部分废水未经处理就直接排入天然水体，加上其他污物的排放，造成了水体的严重污染，产生富营养化等问题，太湖蓝藻大爆发就是一个实例。而天然斜发沸石具有孔隙度高、比表面积大的特点，对氨氮具有很强的选择性离子交换能力，常用于脱除污水中的氨氮。沸石作为极性吸附剂也是一种理想的生物载体。
2、去除水中的氟
氟是一种有毒的物质，在我国农村主要是依赖地下水作为水源，经常性的发生氟中毒事件。水中含有一定的氟对人体是有益的，可以预防牙齿和骨骼的疾病，但是如果超过规定的标准，就会对人体造成毒害。我国某些干旱、半干旱地区地下氟含量偏高，导致“斑柚病”、“氟骨病”地方病发生。目前，降氟方法虽然很多，但都有一定弊端，于是人们将目光瞄向了沸石除氟。通过静态试
验研究表明活化沸石降氟吸附反应较快，其最佳pH值范围为5.5~6.5；再生液pH 值在小于4或大于11时再生效果良好。采用动态试验考察，结果表明活化沸石比天然沸石的除氟容量提高了65%。
3、去除水中重金属离子
随着经济建设和工业的发展，产生大量含重金属离子的废水，水中的重金属不能被生物降解为无害物，从而在水体中不断富集，造成水体污染，对人们的身体造成不同程度的伤害，比如2010年的湖南长沙镉中毒和郴州的血铅超标事件。天然沸石由于具有良好的吸附性和离子交换性能而在去除重金属污染中得到广泛关注。通过研究天然沸石去除污水中的重金属Pb2+的吸附过程表明可以用天然沸石来处理污水中的重金属Pb2+，并且对Pb2+具有高选择性。炼铜工业废水中的Hg可由乌克兰天然斜发沸石吸附技术去除。通过多次实验表明，其吸附机理主要表现为离子之间的交换，pH值的升高和降低直接影响吸附容量的变化，最大理论总吸附容量为121mg/g，吸附过程符合一级动力学方程，15min即可达到吸附平衡。用墨西哥天然斜发沸石吸附水中Pb2+、Cd2+，结果表明，在酸性pH值范围内天然斜发沸石对水中的Pb2+、Cd2+具有非常好的吸附去除作用，去除率>95%。但pH>7时，天然斜发沸石对水中Cd2+的吸附能力急剧下降，而当pH>10时，天然斜发沸石对水中Pb2+的吸附能力才有所下降。
五、结语
总之，我国沸石储量丰富、价格低廉，由于沸石具有良好的吸附性能和较大的比表面积，易于富集微生物，已经得到越来越广泛的关注。在国内主要是小试、中试处理氨氮浓度较低的微污染原水、污水厂二级出水。工程应用研究的较少， 缺乏相应的运行资料，同时对沸石实际处理效果的影响因素研究较少。由于小试、中试主要是模拟原水，对于影响处理效果的因素可以人为进行控制，而工程应用中不可预知的情况较多，情况各不相同，人力难以完全加以控制，从而使得实际运行效果不如小试、中试。另外由于各地气候地形等条件的差异，也使得沸石在中水处理中的实际运行受到限制。因此沸石处理高浓度氨氮废水及其工程应用是今后研究的重要方向之一。
参考文献：
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[2] 唐启祥：《沸石及其开发应用》，《昆明冶金高等专科学校学报》，2004年03期
[3] 胥红 邓慧萍 潘若平 刘晓聪：《生物沸石处理低含量氨氮水影响因素研究》，《水处理技术》，2010年04期
[4] 丁仕琼 王东田 黄梦琼 倪秋洋：《沸石的改性及其去除水中氨氮的研究》，《苏州科技学院学报》(自然科学版)，2010年02期
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