如何用沸石粉去除廢水中的氨氮

在工業(yè)活動(dòng)與城市化進(jìn)程快速發(fā)展的當(dāng)下，廢水排放成為環(huán)境污染的一大源頭，其中氨氮污染問(wèn)題尤為突出。氨氮廢水若未經(jīng)有效處理直接排放，會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，破壞水生生態(tài)系統(tǒng)平衡，危害漁業(yè)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，威脅人類(lèi)健康。在眾多氨氮廢水處理方法中，利用沸石粉去除氨氮，憑借其高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為研究與應(yīng)用熱點(diǎn)。

沸石粉特性與除氨氮原理

沸石是一種具有特殊晶體結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽礦物，內(nèi)部布滿(mǎn)大量規(guī)則且相互連通的孔道和空穴，比表面積大，離子交換性能卓越。斜發(fā)沸石是常見(jiàn)的天然沸石之一，常被用于廢水處理。其去除氨氮主要基于離子交換和物理吸附作用。在水溶液中，沸石表面的陽(yáng)離子（如Na^+、K^+等）可與氨氮廢水中的銨離子（NH_4^+）發(fā)生離子交換反應(yīng)，使銨離子被固定在沸石晶格內(nèi) ，從而降低廢水中氨氮含量；同時(shí)，其多孔結(jié)構(gòu)通過(guò)物理吸附作用，將氨氮分子截留于孔道中。

沸石粉的改性處理

天然沸石粉雖有一定除氨氮能力，但通過(guò)改性可顯著提升其性能。以斜發(fā)沸石粉為例，常見(jiàn)改性方法是氯化鈉改性。稱(chēng)取20 - 40目的斜發(fā)沸石粉10g，加入100mL濃度為20%的NaCl溶液，用電爐煮沸后倒去渾濁液，再加入預(yù)熱好的100mL鹽水，持續(xù)電爐煮5h，重復(fù)操作后用蒸餾水沖洗，直至沸石冷卻至室溫，改性完成。這一過(guò)程中，NaCl中的Na^+與沸石表面的其他陽(yáng)離子交換，改變沸石表面電荷分布與孔道結(jié)構(gòu)，增大比表面積，提升對(duì)銨離子的交換容量與吸附選擇性。

去除氨氮的操作流程

將天然沸石粉裝入直徑5mm、長(zhǎng)度300mm的交換柱中，用蒸餾水沖洗至流出液檢測(cè)不到Cl^-，確保沸石粉清潔。隨后，讓已知pH值和NH_4^+濃度的氨氮廢水以特定流速流過(guò)交換柱。當(dāng)處理一定量廢水后停止通水，通過(guò)測(cè)量量瓶中廢水前后NH_4^+濃度差，計(jì)算出天然沸石粉對(duì)銨離子的總交換容量。改變廢水pH值，重復(fù)上述步驟，便能得到不同pH條件下沸石粉對(duì)銨離子的交換容量數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，在廢水pH值為5時(shí)，天然斜發(fā)沸石粉平均總交換容量可達(dá)12.96mg/g，且交換容量隨pH升高而降低，這是因?yàn)閜H變化影響溶液中銨離子存在形態(tài)及沸石表面電荷性質(zhì)，進(jìn)而影響離子交換與吸附過(guò)程。

循環(huán)利用與洗脫研究

沸石粉使用后的再生循環(huán)利用至關(guān)重要，關(guān)乎處理成本與資源可持續(xù)性。通常采用氯化鈉溶液作為洗脫液進(jìn)行循環(huán)試驗(yàn)。在廢水pH值為5、吸附溫度20℃、吸附速率0.0027m/s、洗脫溫度75℃、洗脫速率0.08cm/s條件下，研究人員開(kāi)展多組實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，處理前氨氮濃度246mg/L、體積35L的廢水，處理后濃度降至21.3mg/L，氨氮去除率達(dá)91.3%，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。用1.5L飽和NaCl水溶液洗脫，產(chǎn)生氨氮濃度6300mg/L的1.5L廢水。此外，使用氯化鈉溶液和氧化鈣乳劑兩種洗脫液實(shí)驗(yàn)證明，沸石脫氨能力良好，氨回收率可達(dá)95.6%。高速、低溫處理廢水利于提高沸石粉吸附能力，低速、高溫則利于提升其洗脫再生能力。

研究展望與應(yīng)用拓展

盡管當(dāng)前沸石粉在去除廢水中氨氮已取得良好效果，但仍有廣闊研究與優(yōu)化空間。在吸附機(jī)理研究上，借助高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）、X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）等先進(jìn)微觀表征技術(shù)，深入探究吸附過(guò)程中電子云變化、化學(xué)鍵形成與斷裂等微觀細(xì)節(jié)，為改性和應(yīng)用條件優(yōu)化提供理論依據(jù)。

改性研究方面，嘗試開(kāi)發(fā)新改性劑與工藝，如用鐵、銅、鋅等金屬離子負(fù)載改性，增強(qiáng)對(duì)氨氮吸附選擇性與容量；或采用酸堿聯(lián)合改性，先酸處理去除雜質(zhì)與部分硅鋁氧化物，再堿液調(diào)節(jié)孔道結(jié)構(gòu)與表面電荷，提升吸附性能。

應(yīng)用場(chǎng)景拓展也十分關(guān)鍵。城市生活污水成分復(fù)雜，含大量有機(jī)物、磷等污染物，可將沸石粉與生物處理工藝結(jié)合，構(gòu)建新型污水處理系統(tǒng)，沸石粉先吸附氨氮，減輕后續(xù)生物處理單元負(fù)荷，利用微生物降解有機(jī)物，實(shí)現(xiàn)污水高效處理。農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖廢水具有高氨氮、高懸浮物、高有機(jī)物特點(diǎn)，研發(fā)基于沸石粉的一體化處理設(shè)備，集成吸附、過(guò)濾、生物降解功能，方便養(yǎng)殖戶(hù)就地處理廢水，減少環(huán)境污染。

成本控制是大規(guī)模應(yīng)用關(guān)鍵。尋找儲(chǔ)量豐富、易開(kāi)采天然沸石礦源，優(yōu)化開(kāi)采與加工工藝降低生產(chǎn)成本；研究更環(huán)保、高效洗脫劑與洗脫工藝，提高沸石粉再生效率，降低再生成本，推動(dòng)其在廢水氨氮處理領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，助力水資源保護(hù)與可持續(xù)利用。