摘要：改性沸石结构稳定、成本低廉、应用广泛，是近年来水处理行业研究的热点。综述了沸石分子筛在水处理领域的应用进展及前景，如饮用水处理工艺强化混凝、强化沉淀及强化过滤过程，污水处理工艺深度处理过程，污泥处理工艺中有机物及氨氮回收等。
关键词：沸石； 合成； 改性； 水处理应用； 发展前景；
Abstract:Natural zeolites have a variety of crystal structures and a large surface area,their surface has permanent electronegativity,good thermal stability and adsorption properties.Modified zeolites possess developed pore structure and unique ion exchange property,showing an outstanding adsorption capacity.This paper reviews the progress and prospect of the application of modified zeolites in water treatment,including the enhanced coagulation,enhanced precipitation and enhanced filtration processes for drinking water treatment,the deep treatment process in sewage treatment,and the recovery of organic matters and ammoniacal nitrogen in sludge treatment process.Modified zeolites,with stable structure,low cost and wide application,have become a hot topic in the field of water treatment in recent years.
Keyword:zeolite; synthetic; modify; water treatment application; prospects for development;
目录
1沸石的结构特征………………………………………………………………………………………………1
1.1沸石的结构………………………………………………………………………………………………2
1.2沸石的合成和改性………………………………………………………………………………………………2
2改性沸石在水处理领域的应用………………………………………………………………………………………………3
2.1预处理工艺………………………………………………………………………………………………4
2.2强化混凝沉淀工艺………………………………………………………………………………………………4
2.3强化过滤工艺………………………………………………………………………………………………4
2.4深度处理应用………………………………………………………………………………………………4
2.5污泥工艺应用………………………………………………………………………………………………4
2.6垃圾渗滤液处理应用………………………………………………………………………………………………4
2.7膜处理工艺应用………………………………………………………………………………………………4
3结语………………………………………………………………………………………………5
参考文献………………………………………………………………………………………………6
近年来，由于人类活动的影响，如工业废水点源污染，农业、城市径流等多来源的非点源污染，含化学物质的河水严重影响水生态系统[1].沸石具有多种晶体结构和较大的表面积、抗高压、不溶于水或其他有机溶剂等特性，改性后的沸石对有机物和阴离子有很强的吸附能力，沸石分子筛因良好的热稳定性和吸附性能、独特的离子交换性质和较高的孔隙率，在水处理工艺中具有广泛的应用前景[2].据调查，近十年关于沸石分子筛方面研究文献的检索频率非常高，表明其是目前乃至将来一定时期内的研究热点[3].
1 沸石的结构特征
1.1 沸石的结构
沸石化学通式为（Na,K）x（Mg,Ca,Sr,Ba）y{Alx+2ySi[n-（x+2y）]O2n}m H2O,结构中空洞和孔道被水分子填充，形成含水架状结构多孔性铝硅酸盐晶体[4].沸石空洞和孔道中填充的水分子在特定温度下脱落后，提供了其他离子进入结构的空间位置，使沸石具有吸附性[5].铝氧四面体中，铝为+3价，与之相连接的4个氧原子中的1个电荷未被中和，使铝氧四面体呈现负电[6],故沸石材料表面带永久负电[4],使其易与金属阳离子结合，结合的金属离子容易与阳离子发生交换，离子交换前后沸石结构不发生变化[7].沸石的空洞和孔道结构可吸附一定分子大小的反应物质，被吸附的物质可能发生系列反应并促进后续反应的进行[8,9,10],因此沸石具有催化作用。
1.2 沸石的合成和改性
天然沸石尽管具有很多优点，但在实际应用过程中，尤其是在水处理行业，仍存在应用效果不理想、不能针对性去除目标污染物等问题[11].为充分发挥沸石的结构特点和物化性能，针对沸石合成与改性的方法得到迅速发展。
1988年，Chu等[12]首次发表利用微波辐射合成沸石的专利，将结晶材料和热传导剂结晶介质混合，由微波提供热能，开发了微波能量结晶多孔晶体组合物的方法。Cundy等[13]和Murayama等[14]研究水热反应发现沸石合成共分3个阶段：诱导期、成核期、生长期。Cooper等[15]2004年报道了离子液体和共晶混合物制备磷酸铝沸石的方法。2012年，Ren等[16]发现了通过混合、研磨和加热固体原料来合成各种类型沸石的无溶剂路线。随后针对医药合成、石油化工、环保工程等领域的沸石合成方法得到迅速发展[16,17,18,19,20,21,22,23].
沸石改性方法可分为两大类：改变沸石结构[24],即改变沸石的铝硅比[11]、中心原子数目及位置[25]、比表面积[26]、孔径结构[21]等；改变沸石表面活性，即引入靶向吸附活性基团，如引入金属离子或原子[27]、金属氧化物[28]、有机物[29]等。不同改性方法对沸石性能的影响不同，一般从沸石吸附及离子交换能力方面进行改善。
2 改性沸石在水处理领域的应用
在水处理领域，依据沸石性能的不同可将其运用在饮用水预处理及常规工艺的强化、污水处理中对高浓度污染物质的去除、污泥处理工艺中回收有用成分和去除重金属等有害物质。
2.1 预处理工艺
待处理水中悬浮物质及氨氮含量较高时，直接进入水厂会加大处理难度，且影响工艺流程对其他污染物质的去除效果[30].沸石分子筛具有良好的吸附沉降性能，可用于水厂进水前对高浊度、高氨氮水的预处理[31].
沸石可与絮凝剂结合使用，类似于分子筛在强化混凝中的作用。杨生明等[32]利用3套分子筛装置将分子筛与絮凝剂结合投加在污水流经罐区的管线中，污水浊度去除率达93.91%.但是在前处理中使用絮凝剂产生的絮体容易粘附在管道和工艺构筑物上，清洗十分麻烦。相比而言，沸石分子筛在混凝工艺中的助凝效果更佳，从经济角度考虑，一般选择在混凝工艺投加沸石分子筛，而采用其他方式进行预处理。
沸石还可与生物滤池结合起到预处理效果，常用沸石曝气生物滤池（ZBAF）进行预处理。刘金香等[33]发现氨氮浓度从2 mg/L增大到23 mg/L时，ZBAF对其去除效率仍然可以维持在90%以上。由于硝化细菌对沸石滤料的再生作用，ZBAF可以保持有效的氨氮去除效率，但其去除效率还受有机物质影响[34].张强等[35]采用生物沸石和斜发沸石协同强化预处理工艺对总磷去除率达80%,但对氨氮去除效果不佳。李冬梅等[36]利用氧化石墨烯-Fe Cl3改性沸石联合生物预处理有效去除溶解性氨氮及小分子有机物，联合工艺对水中氨氮去除率可维持在90%以上。
沸石结合生物滤池工艺可分别对水中氨氮、磷和有机物质进行去除，但同步脱氮除磷效果不佳，且缺乏出水生物安全性。
2.2 强化混凝沉淀工艺
常规混凝工艺主要用于去除水中的浊度、色度和部分有机物，对水中天然有机物尤其是可溶性有机物的去除效果不佳[37],对低温低浊水、富营养化等特殊受污染的水源几乎没有作用，严重影响后续沉淀工艺[38,39],这些未被去除的有机物还将成为后续氯消毒工艺的副产前驱物，严重威胁用户的健康安全。随着人们生活水平的提高，水中有机物种类、氨氮等物质不断超出常规混凝工艺的处理范围，针对常规混凝工艺的强化迫在眉睫。
沸石分子筛强化混凝主要分为吸附、混凝、沉淀3个阶段[40].沸石分子筛在水中表现出良好的吸附效能和离子交换特性，与絮凝剂共同作用，可加强混凝剂吸附架桥、电性中和作用，进而去除水中的有机物、氨氮、悬浮颗粒。沸石分子筛可增加水中颗粒物浓度，增大颗粒碰撞聚集概率，提高絮凝效果，其表面带永久负电，可与絮凝剂水解阳离子结合形成空间网状结构，对污染物起到网捕卷扫作用，絮体与分子筛之间通过离子键连接，絮体结构不易破碎，沉淀性能好[41].
改性沸石在混凝工艺中一般以粉末状结合或者代替混凝剂起到更好的混凝效果。张璐[29]采用镧改性沸石代替混凝剂进行混凝实验，并分别用这些沸石颗粒制成过滤柱模拟沉淀过程，实验发现，在没有添加絮凝剂的情况下，投加0.05 g镧改性沸石处理含磷浓度2 mg/L、硝酸盐氮浓度2.3 mg/L、氨氮浓度5 mg/L的废水，去除率分别达90%、75%、87%.Xue等[42]利用聚氯化铝混凝剂与沸石结合可有效去除氨氮，并对7种亚硝胺前体有很好的去除效果，避免了在氯消毒过程中产生剧毒物质。李国东等[43]采用氢氧化钠和硫酸铝钾改性沸石后，利用离子交换法结合铝的羟基络合物去除水中氟离子，研究表明沸石可以将高浓度含氟水处理至国家卫生标准范围内。
2.3 强化过滤工艺
常规过滤工艺主要用于去除水中浊度，对相对分子质量10 000以上的有机物质去除效果较好，对相对分子质量10 000以下尤其是500以下的有机物去除率非常低[44].此外，常规过滤对去除氨氮、硝酸盐氮等污染物质几乎无效果。强化过滤可有效防止前处理工艺中残留的有机物和絮体穿透滤池，避免对消毒工艺造成影响[45].
滤料的表面积与其吸附污染物质能力呈正相关[46],沸石具有独特的内部结构，比表面积大，具有突出的吸附性能，因此常用沸石作为改造滤池的填料。改性沸石还可以在截留悬浮物质的同时，去除和降解水中的氨氮、有机物等，提高出水水质。
张云飞[47]采用原位锰改性沸石作为新型滤料去除水中Mn2+,结果显示进水浓度为1 mg/L的Mn2+经改性沸石结合1.3 mg/L投氯量进行过滤后，浓度始终低于0.1 mg/L,可见沸石是一种可以替代锰砂除锰的新型滤料。陈迤岳等[48]采用沸石充当生物活性滤池的滤料，过滤过程呈现出快速吸附、缓慢平衡的特点，反应器运行8 h,氨氮去除率达43%~60%,随着吸附时间增长，对氨氮去除效果可达90%.杨家轩[49]采用上流式沸石-活性炭生物滤池（UMBF）处理低温原水中的氨氮、微量有机物、天然有机物，其原理是在水质突变时，利用生物沸石滤池内底层填料通过吸附及解吸附作用去除污染物质，在污染物浓度波动较大时仍然有很高的处理效能。
2.4 深度处理应用
改性沸石在深度处理中的应用一般为针对氨氮及有机物的去除，改性沸石在高浓度氨氮废水处理中一般结合其他工艺或技术手段共同使用。
Cheng等[50]采用氯化钠改性沸石对沼液进行脱氮除磷处理，结果显示，改性沸石剂量范围为0.5~5 g/100 m L时，NH4+-N和PO43--P的去除率范围分别为5.19%~94.94%和72.16%~91.63%,可见沸石剂量对氨氮去除率影响较大，对磷去除率总体效果较好。
王琳琳[51]分别用HDTMA和羟基合镧对Na Y沸石外表面和超笼内进行负载改性，制备出SMZ-La沸石，并将其应用在深度水处理工艺中，对生化出水的硝酸盐氮有很好的去除效果，5次吸附-解吸后仍能维持对硝酸盐氮80%的吸附量。金星等[52]通过对比天然沸石和活性炭在污水尾水深度处理中COD和NH3-N的去除效果发现，沸石对氨氮的去除有明显优势，但对COD的去除效果不如活性炭，在深度处理过程中能否将沸石和活性炭各自的优势同时发挥出来是今后研究的重点。徐阳[53]利用醋酸纤维素复合材料改性沸石深度处理低浓度氨氮废水效果较好，这种改性沸石在重金属去除及有机物去除方面也有较好的应用，但具体效果有待进一步研究。
王静等[54]利用Na-P1型改性沸石，并结合直流稳压电源构成三维电极反应器，对高浓度氨氮废水去除效果较好。但是此技术工艺以及装置设备方面仍有待改进，须优化三维电极反应器及其粒子电极的填充方式，以便实现工程化应用。Feng等[55]利用沸石-生物渗透曝气滤池稳定的硝化性能对高强度氧化铁铵红废水进行处理，该组合工艺对类似的高浓度氨氮废水处理具有一定的优势。张凯等[56]采用序批式活性污泥法（SBR）结合沸石及芬顿试剂处理高浓度氨氮废水，结果显示氨氮去除率可保持在72.7%~79.4%,但有机物浓度升高会降低氨氮去除率。
2.5 污泥工艺应用
污水中含有大量悬浮物质、有机物和氨氮等污染物质，在絮凝和沉淀工艺中产生大量污泥，这些污泥中含有大量污染物质，因此对污泥进行减量和浓缩是目前亟待解决的问题[57],而回收污泥中的有机物及氮磷物质有着极好的应用前景。
改性沸石可以回收污泥中的有机物及氮磷。Liu等[58]用3种混凝剂对沸石进行负载改性后提高了污泥中有机物的回收率，该方法为污泥中有机物回收利用和废水的深度处理提供了参考。
污泥回收利用的限制因素是其重金属超标问题。姚毅[59]通过海藻酸钠和氯化钙改性沸石制备出了一种新型的重金属吸附微球，对污泥中铅（Ⅱ）、镉（Ⅱ）、铜、锌为代表的重金属离子有很好的去除效果，在每500 m L泥水混合物中吸附剂投量为0.5~2 g时各重金属含量下降速度最快。Qin等[60]通过室内圆柱实验对比沸石在60 d内对沉积物磷的释放，结果表明，30 d总磷释放量为对照组的48%,抑制效果在后30 d趋于稳定。沸石能够抑制沉积物磷的释放，主要因为沸石在沉积物表面形成一层活性涂层，抑制了沉积物养分的释放，因此使用少量的沸石可以有效地抑制大量沉积物中磷的释放。
2.6 垃圾渗滤液处理应用
垃圾渗滤液中含有高浓度有机物及多种重金属离子，减少垃圾渗滤液有毒有害物质对土壤及水源的污染是目前亟待解决的问题。改性沸石结合其他药剂可对垃圾渗滤液中有毒有害物质起到很好的去除效果。
Sudibyo等[61]在垃圾渗滤液厌氧硝化池中加入沸石和BFA作为膜氧化介质，提高了垃圾渗滤液在厌氧填充床反应器中的硝化率。Daud等[62]研究发现，沸石与辣木叶粉混合物对垃圾渗滤液中COD和NH3-N的去除范围在50%~70%和60%~87%,对垃圾渗滤液中污染物质的修复具有很大应用潜力。Mollamahmutoglu等[63]以膨润土与粉煤灰、沸石混合制成垃圾填埋场衬垫，不仅可防止固体废物填埋场污染物迁移，还对总重金属去除率达98%,COD、TSS、TP、TN去除率分别为98%、85%~97%、83%~96%、96%~98%,在防渗及垃圾渗滤液污染物处理方面有较好的应用[63].
2.7 膜处理工艺应用
改性沸石分子筛应用在膜工艺中的方式有两种：直接以氧化铝为骨架合成沸石分子筛膜；将沸石分子筛作为膜前投加剂结合膜工艺进行污染物处理。
罗益韦[64]在4 h内合成了T型沸石分子筛膜，膜通量达9.8 kg/（m2·h），其制备方法打破了沸石膜长时间晶化合成的限制，提高了生产效率，在工业应用中具有重要意义。田瓅[65]采用4A沸石分子筛结合聚偏氟乙烯等聚合物共混合成杂化微孔膜，比单一聚合物合成的微孔膜孔隙率增加68%~78.5%,亲水性明显提高，对Cu2+等重金属离子的吸附性能随沸石质量分数的增加而增大。可见膜工艺中加入沸石分子筛可以提高膜通量，并且利用沸石结构可对重金属进行去除。
3 结语
改性沸石在水处理工程中应用广泛，目前应用较多的是强化过滤中作改性滤料、污水深度处理中用于去除低浓度氨氮。在常规混凝沉淀工艺中，沸石虽然对氨氮、硝酸盐氮及含磷物质有较好的去除效果，但改性沸石可能带来潜在的二次污染问题仍不容忽视。改性沸石在垃圾渗滤液中应用广泛，对有机物及多种重金属离子都有很好的去除效果。
沸石在水处理应用方面的研究部分仍局限于实验室阶段，为更安全有效地投入到实际工程中，可从以下几个方面进行深入研究：
（1）针对待去除污染物对沸石进行改性，寻求合适的改性试剂，提高污染物去除率；结合更简便、高效、低成本的改性方式，提高改性成分负载能力，避免造成二次污染，从而提高改性沸石的实用性。
（2）对改性沸石实际应用效果应采用全面系统的评价，从污染物去除效果、是否存在副产物、出水水质指标等方面综合得出结论，并对不同水质可能造成去除效果的不同进行模拟分析。
（3）针对污染物性质不同，对沸石在水处理工艺中的投加位置进行合理选择，充分发挥沸石分子筛在水处理应用中的优点；开发新的组合工艺，例如将沸石与膜工艺结合，目前的研究中对沸石作为膜前处理投加剂的研究较少。
（4）提高改性沸石的再生效率、减少沸石改性成分的流失，关系到沸石的应用成本及应用普适性。
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