一、沸石的環(huán)保作用

環(huán)境問題是當今世界上人類面臨的最重要的問題之一,已得到世界各國的高度重視。隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,環(huán)境問題變得日益突出。在環(huán)境保護和治理方面,世界上許多國家,特別是發(fā)達國家對非金屬礦物在環(huán)保上的應用非常重視。其中非金屬礦——沸石倍受青睞。

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和人民生活水平的提高,含氮化合物的排放量急劇增加,已成為環(huán)境的主要污染源,并引起各界的關注。經(jīng)濟有效地控制氨氮廢水污染已經(jīng)成為當今環(huán)境工作者所面臨的重大課題。

沸石具有特殊的四面體結構,因而有較大的表面積和較高的離子交換和吸附能力,使沸石在廢水處理中得到了廣泛的應用。沸石可去除廢水中有機污染物,去除氨氮,去除懸浮物,藻類等,降低出水濁度。而且還能去除水中重金屬離子。國外專利(J52034549)介紹,將斜發(fā)沸石、絲光沸石改型為Na型、NH3型沸石后,利用其對溶液中某些離子有“離子篩”的作用,處理有色金屬礦山、冶煉廠、化工廠排入的含重金屬離子的廢水,然后通過解吸回收金屬。除了治理廢水,沸石還可以改造水質。如西沙群島飲用水就是用當?shù)睾惺幕鹕浇堑[巖處理后,排除海水中的有機質,降低礦化度,減少氨離子和硝酸根成為標準飲用水的。

(1)氨氮廢水的來源

含氮物質進入水環(huán)境的途徑主要包括自然過程和人類活動兩個方面。含氮物質進入水環(huán)境的自然來源和過程主要包括降水降塵、非市區(qū)徑流和生物固氮等。人類的活動也是水環(huán)境中氮的重要來源,主要包括未處理或處理過的城市生活和工業(yè)廢水、各種浸濾液和地表徑流等。

人工合成的化學肥料是水體中氮營養(yǎng)元素的主要來源,大量未被農(nóng)作物利用的氮化合物絕大部分被農(nóng)田排水和地表徑流帶入地下水和地表水中。隨著石油、化工、食品和制藥等工業(yè)的發(fā)展,以及人民生活水平的不斷提高,城市生活污水和垃圾滲濾液中氨氮的含量急劇上升。

近年來,隨著經(jīng)濟的發(fā)展,越來越多含氮污染物的任意排放給環(huán)境造成了極大的危害。

氮在廢水中以有機態(tài)氮、氨態(tài)氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3–N)以及亞硝態(tài)氮(NO2–N)等多種形式存在,而氨態(tài)氮是最主要的存在形式之一。廢水中的氨氮是指以游離氨和離子銨形式存在的氮,主要來源于生活污水中含氮有機物的分解,焦化、合成氨等工業(yè)廢水,以及農(nóng)田排水等。氨氮污染源多,排放量大,并且排放的濃度變化大。

(2)氨氮廢水的危害

水環(huán)境中存在過量的氨氮會造成多方面的有害影響:

(1)由于NH4+-N的氧化,會造成水體中溶解氧濃度降低,導致水體發(fā)黑發(fā)臭,水質下降,對水生動植物的生存造成影響。在有利的環(huán)境條件下,廢水中所含的有機氮將會轉化成NH4+-N,NH4+-N是還原力最強的無機氮形態(tài),會進一步轉化成NO2–N和NO3–N。根據(jù)生化反應計量關系,1gNH4+-N氧化成NO2–N消耗氧氣3.43g,氧化成NO3–N耗氧4.57g。

(2)水中氮素含量太多會導致水體富營養(yǎng)化,進而造成一系列的嚴重后果。由于氮的存在,致使光合微生物(大多數(shù)為藻類)的數(shù)量增加,即水體發(fā)生富營養(yǎng)化現(xiàn)象,結果造成:堵塞濾池,造成濾池運轉周期縮短,從而增加了水處理的費用;妨礙水上運動;藻類代謝的最終產(chǎn)物可產(chǎn)生引起有色度和味道的化合物;由于藍-綠藻類產(chǎn)生的毒素,家畜損傷,魚類死亡;由于藻類的腐爛,使水體中出現(xiàn)氧虧現(xiàn)象。

(3)水中的NO2–N和NO3–N對人和水生生物有較大的危害作用。長期飲用NO3–N含量超過10mg/L的水,會發(fā)生高鐵血紅蛋白癥,當血液中高鐵血紅蛋白含量達到70mg/L,即發(fā)生窒息。水中的NO2–N和胺作用會生成亞硝胺,而亞硝胺是“三致”物質。NH4+-N和氯反應會生成氯胺,氯胺的消毒作用比自由氯小,因此當有NH4+-N存在時,水處理廠將需要更大的加氯量,從而增加處理成本。近年來,含氨氮廢水隨意排放造成的人畜飲水困難甚至中毒事件時有發(fā)生,我國長江、淮河、錢塘江、四川沱江等流域都有過相關報道,相應地區(qū)曾出現(xiàn)過諸如藍藻污染導致數(shù)百萬居民生活飲水困難,以及相關水域受到了“牽連”等重大事件,因此去除廢水中的氨氮已成為環(huán)境工作者研究的熱點之一。

(3)沸石在污水處理劑中的應用

沸石水處理劑選用高品位天然沸石經(jīng)過活化、改性復合而成的多功能污水處理新材料,具有極大的比表面積、極強的吸附能力和離子交換能力,對污水中的有機污染物具有吸附和催化降解能力,對重金屬等物質污染物具有極強的吸附固化能力,在污水中具有很好的化學穩(wěn)定性,而且不分解、不變質,不污染水體。

其具體原理為:

離子交換法的實質是不溶性離子化合物(離子交換劑)上的可交換離子與廢水中的其它同性離子的交換反應,是一種特殊的吸附過程,通常是可逆性化學吸附。沸石是一種天然離子交換物質,其價格遠低于陽離子交換樹脂,且對NH4+-N具有選擇性的吸附能力,具有較高的陽離子交換容量,純絲光沸石和斜發(fā)沸石的陽離子交換容量平均為每100g相當于213和223mg物質的量(m.e)。但實際天然沸石中含有不純物質,所以純度較高的沸石交換容量每100g不大于200m.e,一般為100~150m.e。沸石作為離子交換劑,具有特殊的離子交換特性,對離子的選擇交換順序是:Cs(Ⅰ)>Rb(Ⅰ)>K(Ⅰ)>NH4+>Sr(Ⅰ)>Na(Ⅰ)>Ca(Ⅱ)>Fe(Ⅲ)>Al(Ⅲ)>Mg(Ⅱ)>Li(Ⅰ)。工程設計應用中,廢水pH值應調整到6~9,重金屬大體上沒有什么影響;堿金屬、堿土金屬中除Mg以外都有影響,尤其是Ca對沸石的離子交換能力影響比Na和K更大。沸石吸附飽和后必須進行再生,以采用再生液法為主,燃燒法很少用。再生液多采用NaOH和NaCl。由于廢水中含有Ca2+,致使沸石對氨的去除率呈不可逆性的降低,要考慮補充和更新。

著名礦物學家穆普頓曾指出:由于全球性環(huán)境調節(jié)及環(huán)保需要,20世紀70年代人類進入“沸石世紀”。沸石以卓越的環(huán)境凈化、修復、替代功能,以及價廉易得、制備簡單且無二次污染的優(yōu)勢使它在環(huán)境治理中擁有廣泛的應用前景。我們應充分發(fā)揮我國沸石的資源優(yōu)勢,加強對沸石的研究,研制出附加值更高的沸石新材料,從而產(chǎn)生更好的社會效益、經(jīng)濟效益及生態(tài)環(huán)境效應。