1756年在冰島玄武巖杏仁狀孔隙內,瑞典礦物學家Cronstedt首先發現一種白色透明的礦物,因其加熱時出現發泡沸騰現象被命名為“沸石”。沸石是一族具有連通孔道的呈架狀構造的含水鋁硅酸鹽礦物。按生成方式,分為天然沸石和人工合成沸石兩大類。其基本組成為:MxDy[Al(x-2y)Sin(x+2y)O2n]·mH2O式中,M為堿金屬或其它一價陽離子;D為堿土金屬或其它二價陽離子;M、D均為可交換性陽離子。人們對沸石的認識經歷了漫長的階段,直至20世紀50年代后期美、日等國勘查出具有工業意義的沉積型礦床后,沸石才成為重要的工業礦物。迄今世界上已發現的天然沸石達43種,常見的有絲光沸石、斜發沸石、鈉沸石等。在未發現工業規模的沸石礦床前,為了充分利用沸石“分子篩”的作用,可以查看文章了解:沸石分子篩。化學家們從上世紀30年代就開始致力于人工合成沸石的研究,隨著分子篩工業的發展,現被國際沸石聯合組織(IZA)確認的人工合成沸石已達100多種,而且仍不斷有新的品種面世。沸石結構特殊,由鋁硅酸鹽格架,格架中的孔道、孔穴和陽離子,以及以錮囚相存在的水分子三部分組成。格架中硅氧四面體內的Si4+常被Al3+置換,出現過剩負電荷,由堿土金屬離子補償,這些補償陽離子與晶格結合力很弱,具有很高的自由度,活躍在孔道中,使沸石具有優良的離子交換性能。格架中連通的孔道、孔穴使沸石擁有很大的內表面積,特別當“沸石水”受熱逸出后,通道和孔穴更加空曠,相應內表面積更加巨大,而且脫水沸石晶穴內部具有很強的庫侖場和極性,表現出強烈的吸附性,加之沸石孔道大小均勻,尺寸固定,形狀規則,因此吸附具有選擇性,即具有分子篩、離子篩功能。除此沸石還具有耐酸、耐高溫、耐輻射等性能。
這些物化性能賦予了沸石獨特的環境屬性,也奠定了它在環境治理方面的重要地位。著名礦物學家穆普頓指出:由于全球性環境調節及環保需要,20世紀70年代人類進入“沸石世紀”。
沸石在治理廢水,改造水質方面的應用主要有如下:
湖北鄂州太和絲光沸石經鹽酸或堿(NaOH)溶液活化后制成的沸石吸附劑,處理Pb2+質量濃度為207mg/L,pH=2的廢水,以10g/L的用量,常溫吸附120min,對Pb2+吸附率達99.10%。飽和后的吸附劑可用NaCl溶液洗脫再生。
甘肅白銀斜發沸石活化后,制成粒度范圍為0.5~2.5mm濾料,控制濾速為6~8m/h,在簡單跌水曝氣條件下,使12.0mg/L的含鐵廢水中的鐵離子降至飲用水標準0.3mg/L以下。
將山東膠州沸石破碎過40目篩,以1∶500重量比處理濃度為300mg/L的含鉻廢水,鉻去除率達99%以上。
用山西臨縣紫金山富鉀堿性巖合成的13x型沸石處理濃度為30mg/L的含Cu2+廢水,可使水質達國家污水綜合排放標準,吸附性能優于活性炭和改性粘土。國外專利(J52034549)介紹,將斜發沸石、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。將35~90目天然沸石與MgCl2、AlCl3按2∶3∶1質量比混合后,在300℃溫度下恒溫1h,制備成沸石復合吸附劑,當投加量為8g/L時,使PO3-4濃度為80.48mg/L的城市生活污水中的磷去除率達92%以上。對天然沸石經鎂、鋁鹽改性后,用于處理含磷廢水,磷去除率達98%~99.18%,殘留磷濃度降至0.1mg/L。
由于沸石對NH3極性分子有很強的親和力,20世紀70年代初日本就開始實施“沸石過濾法”專利技術處理生活污水。他們還將沸石巖粉與羥甲基纖維素、水玻璃等粘合劑一起加熱發泡制備成多孔狀水質凈化劑廣泛應用。美國華盛頓、加利福利亞州、俄勒岡州、弗吉尼亞等地區的許多污水處理廠都用沸石作凈化劑,如明尼蘇達州的污水處理廠,使用三根分別充填6.8噸斜發沸石的離子交換柱凈化污水,可使NH3-N含量從45μg/g降到1μg/g。張家口市毛紡廠所排含顏料的印染廢水經改型沸石處理后,透光率僅3%~28%的濁水變成透光率達95%以上的清水。
將信陽斜發沸石與高配位鋁、鐵鹽復合制備成粉狀凈化劑,以1∶900固、液比處理湖北馬坪、荊州、鄖縣、漢南,山東牟平,河南信陽造紙廠所排高濃度廢水,可使CODcr由2800~3500mg/L降至450~960mg/L,將該斜發沸石用2mol·L-1鹽酸在微沸條件上浸漬、濃縮后制備出的液態凈化劑對上述造紙廢水亦有治理作用,而且它們對皮革廢水、油田廢水也有明顯的凈化效果。除了治理廢水,沸石還可以改造水質。西沙群島飲用水就是用當地含沸石的火山角礫巖處理后,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。
我國某些干旱、半干旱地區地下氟含量偏高,導致“斑釉病”、“氟骨病”地方病發生。作者曾用活化斜發沸石交換、吸附新疆喀什附近濃度為13mg/L的高氟水中的F-并適量的配合使用降氟劑Al2(SO4)3、AlCl3,獲得很好的效果,使F-含量降至0.7~1mg/L。浙江地礦廳專家將縉云沸石經加工破碎、裝柱、活化、水洗、明礬溶液處理后,在除氟器內處理義烏徐村氟含量高達22mg/L的井水,除氟效果明顯,水質達國家飲用水標準。
魚、蝦、貝等人工養殖場,水體有機負荷重,溶解氧量少,生物代謝發生的有害氣體濃度高,影響水生物安全。浙江淡水水產研究所研制出的以天然沸石為主要組分的復方增氧劑、復方水質改良劑,以每畝約50kg量施撒,能提高水平溶解氧,降低NH32N、H2S、CO2等有害氣體,改善水生物棲息環境,提高養殖密度。