CN107096498A - 一种改性沸石球制备方法及应用 - Google Patents

一种改性沸石球制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明一种改性沸石球的制备方法和应用，将天然沸石磨成粉过200目筛后与核桃砂颗粒(0.2‑3mm)及硅酸钠按照2‑6:1:1比例均匀混合后搓球，100℃干燥2h后，经马弗炉高温烧结2‑5h后自然冷却而成，其表面和内部显示宏观的蜂窝状多孔形态。表面及内部众多的微孔，可供微生物附着生长，沸石本身对于氨氮具有较好的吸附效果，再结合微生物处理，不但能得到更好的吸附效果，同时表面附着生长的微生物还可以帮助吸附氨氮饱和的沸石解吸，从而使沸石球再次得到吸附能力，本发明的改性沸石球对于低浓度氨氮废水的处理能得到较好的效果，沸石球的制备成本低，过程简单，环保无污染。

Description

一种改性沸石球制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种改性沸石球制备方法及应用，属于污水处理技术领域。
背景技术
当今，随着人口的急剧增加，城市化进程的不断加快以及工业、农业的快速发展，大量含氨氮的生活污水、工农业废水排入了江河湖海。氨氮主要以两种形式存在：①游离氨(NH3+)，②氨盐(NH4+)。氨氮在自然界中易发生硝化、反硝化反应，经硝化菌和亚硝化菌作用发生硝化反应，氨氮氧化为硝酸盐和亚硝酸盐，硝酸盐和亚硝酸盐在反硝化菌的作用下经反硝化反应还原为气态氮。水中氨氮浓度高往往使水体中亚硝酸盐和硝酸盐含量超标，如长期饮用此类水会引发高铁血红蛋白症，造成缺氧。另外，硝酸盐和亚硝酸盐还可以转化为亚硝胺—一类强致癌物质。氨氮还可以造成水体富营养化，藻类及其它微生物大量繁殖增长，从而使水体中溶解氧(DO)低，导致水体中的鱼类、水生生物大量死亡，水体发黑发臭，腐蚀金属管道，藻类的大量繁殖还会影响航运，增加打捞成本等。
氨氮的处理方法通常分为两大类：生物法和物化法，生物法主要有：生物滤池法、生物转盘法、生物流化床、生物接触氧化法等。物化法主要有：吹脱法、汽提法、折点加氯法、化学沉淀法、液膜法、电渗析法、催化湿式氧化法、反渗透法、土壤灌溉法、离子交换法等。其中利用沸石作为吸附材料吸附氨氮技术，在国内外得到了广泛的关注。
沸石是一种含水的铝硅酸盐天然矿石，主要由SiO2构成，内部含有Ca2+、Mg2+等离子，其中的硅可由铝替代形成铝氧四面体结构，所以通常呈硅氧四面体或铝氧四面体结构，其内部存在大量大小均匀，相互连通并与外界相连的孔道，内部孔道一旦空缺，沸石就会对NH3、SO2、NO2等极性分子和细菌产生很强的吸附力。沸石种类丰富，在我国分布广泛，如浙江缙云沸石，甘肃白银沸石，河南巩义沸石，镇江天然沸石等，沸石价格低廉，种类多，已作为一种处理富营养化污水的经济物质。沸石吸附法是一种离子交换法，因其比表面积大，孔径较小，但是NH4+可以通过其孔径，天然沸石对于NH4+的吸附效果非常有限，随着城市化，工业化的发展，水污染日益加剧，污染程度、污染面积、对周围环境的影响都呈增长的趋势，天然沸石对于水中氨氮的去除，已经满足不了当今水污染处理需要，所以通过沸石的改性来改善其吸附性能。
沸石的改性方法通常有无机酸、无机碱以及无机盐、热改性等，沸石的热改性是对沸石进行高温焙烧，打通沸石内部通道，增大比表面积，从而提高氨氮吸附效果；沸石酸改性的机理是半径小的H+置换出内部原有的半径较大的Ca2+、Mg2+等阳离子，扩展了沸石可吸附NH4+离子的空间；碱改性则是选择性脱除沸石骨架中的硅，降低硅铝比，引入了碱金属阳离子可提高沸石的阳离子交换性；盐改性则利用Na+等离子置换出沸石表面及内部结构中的Ca2+离子，平衡硅氧四面体的负电荷，Na+离子相对于Ca2+离子对于NH4+离子的交换能力强，从而提高了沸石的吸附效果。
发明内容
本发明提出了一种对低浓度氨氮吸附效果好、制备成本低、环保且可再生利用的改性沸石球及其应用，还提供了一种焙烧温度低、焙烧周期短、制备过程简单的改性沸石球制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种改性沸石球制备方法，其包括以下步骤，将天然沸石粉、核桃砂及硅酸钠按质量比例2-6:1:1混合均匀后制球，置于80-120℃的烘箱中预热1-3h，然后置于高温炉中，400-600℃焙烧2-5h，冷却后得到改性沸石球，其表面和内部显示蜂窝状多孔形态，改性沸石球粒径范围为5-20mm。
所述天然沸石粉的粒度为150-250目，核桃砂的粒径为0.2-3mm，硅酸钠含有九个结晶水，高温炉为马弗炉、回转窑中的至少一种。
所述的改性沸石球用于氨氮废水的处理过程中氨氮的吸附，同时作为氨氮废水中微生物附着生长的填料。
在利用改性沸石球用于氨氮废水处理过程中，要求氨氮废水的pH为6-9，氨氮浓度范围1-20mg/L，温度为15-30℃，同时需要搅拌，搅拌转速为160r/min，搅拌吸附时间为3h以上。
在高温炉焙烧过程升温速度为50-100℃/h，冷却速度为20-50℃，最终得到改性沸石球的比表面积为70-100m2/g，孔隙率大于15％。
本发明针对天然沸石改性的方法的不足之处，通过天然沸石粉与核桃砂颗粒及硅酸钠混合均匀后搓球再烧结，制备了一种表面和内部显示宏观的蜂窝状多孔形态的沸石球，利用该种特殊结构，在沸石对于氨氮具有良好吸附效果的同时，表面和内部的多孔结构可为微生物提供栖息场所，利用微生物的硝化，反硝化过程将沸石球所吸附的氨氮解吸出来，从而使沸石球再生。整个制备过程中，所选用材料成本均较低，焙烧温度低、焙烧时间短，环保无污染。利用改性沸石球对于氨氮模拟废水进行吸附5小时后，氨氮去除率稳定在70％以上，最高可达93.86％。改性沸石球对于氨氮的吸附量较之天然沸石吸附量提高了1.5-3.4倍，由此可见，该改性沸石球对于低浓度氨氮废水具有较好的净化效果。
本发明提供的沸石改性方法简单，原材料廉价易得，可有效的结合传统水处理工艺对城市湿地、湖泊、池塘等氨氮浓度较低的水环境进行净化，具有良好的应用前景。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明改性沸石球表面示例图。
图2为本发明改性沸石球对不同浓度氨氮废水的去除率和吸附量。
图3为本发明改性沸石球吸附不同时间对氨氮去除率及吸附量。
图4为本发明不同粒径改性沸石球对氨氮的去除率和吸附量。
图5为本发明使用不同粒径核桃砂颗粒制备的改性沸石球对氨氮的去除率和吸附量。
图6为本发明不同原材料比例所制备改性沸石球对氨氮的去除率和吸附量。
图7为本发明不同焙烧温度制备改性沸石球对氨氮的去除率和吸附量。
图8为本发明不同焙烧时间制备改性沸石球对氨氮的去除率和吸附量。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。如图1所述。
一种改性沸石球制备方法，其包括以下步骤，将天然沸石粉、核桃砂及硅酸钠按质量比例2-6:1:1混合均匀后制球，置于80-120℃的烘箱中预热1-3h，然后置于高温炉中，400-600℃焙烧2-5h，冷却后得到改性沸石球，其表面和内部显示蜂窝状多孔形态，改性沸石球粒径范围为5-20mm。
所述天然沸石粉的粒度为150-250目，核桃砂的粒径为0.2-3mm，硅酸钠含有九个结晶水，高温炉为马弗炉、回转窑中的至少一种。
所述的改性沸石球用于氨氮废水的处理过程中氨氮的吸附，同时作为氨氮废水中微生物附着生长的填料。
在利用改性沸石球用于氨氮废水处理过程中，要求氨氮废水的pH为6-9，氨氮浓度范围1-20mg/L，温度为15-30℃，同时需要搅拌，搅拌转速为160r/min，搅拌吸附时间为3h以上。
在高温炉焙烧过程升温速度为50-100℃/h，冷却速度为20-50℃，最终得到改性沸石球的比表面积为70-100m2/g，孔隙率大于15％。
实施例1
一种改性沸石球制备方法，其包括以下步骤，将天然沸石粉、核桃砂及硅酸钠按质量比例4:1:1混合均匀后制球，置于100℃的烘箱中预热2h，然后置于高温炉中，450℃焙烧2.5h，冷却后得到改性沸石球，其表面和内部显示蜂窝状多孔形态，改性沸石球粒径范围为15mm。
所述天然沸石粉的粒度为200目，核桃砂的粒径为0.35mm，硅酸钠含有九个结晶水，高温炉为马弗炉、回转窑中的至少一种。
所述的改性沸石球用于氨氮废水的处理过程中氨氮的吸附，同时作为氨氮废水中微生物附着生长的填料。
在利用改性沸石球用于氨氮废水处理过程中，要求氨氮废水的pH为7.2，氨氮浓度范围15mg/L，温度为20℃，同时需要搅拌，搅拌转速为160r/min，搅拌吸附时间为3h以上。
在高温炉焙烧过程升温速度为75℃/h，冷却速度为35℃，最终得到改性沸石球的比表面积为80m2/g，孔隙率大于15％。
实施例2
一种改性沸石球制备方法，其包括以下步骤，将天然沸石粉、核桃砂及硅酸钠按质量比例4:1:1混合均匀后制球，置于100℃的烘箱中预热2h，然后置于高温炉中，450℃焙烧2.7h，冷却后得到改性沸石球，其表面和内部显示蜂窝状多孔形态，改性沸石球粒径范围为12mm。
所述天然沸石粉的粒度为200目，核桃砂的粒径为0.35mm，硅酸钠含有九个结晶水，高温炉为马弗炉、回转窑中的至少一种。
所述的改性沸石球用于氨氮废水的处理过程中氨氮的吸附，同时作为氨氮废水中微生物附着生长的填料。
在利用改性沸石球用于氨氮废水处理过程中，要求氨氮废水的pH为7.9，氨氮浓度范围12mg/L，温度为20℃，同时需要搅拌，搅拌转速为160r/min，搅拌吸附时间为3h以上。
在高温炉焙烧过程升温速度为75℃/h，冷却速度为35℃，最终得到改性沸石球的比表面积为88m2/g，孔隙率大于15％。
实施例3
将天然沸石磨成粉，过200目筛后与核桃砂颗粒0.5及硅酸钠按2.5:1:1的优选比例混合均匀后搓成球状，置于100℃的烘箱中预热2h，然后置于马弗炉中500焙烧2.5h，自然冷却后得到表面及内部显示宏观的蜂窝状多孔形态的改性沸石球，改性沸石球粒径范围为8mm。
称取等质量的改性沸石球于250ml的锥形瓶中，加入浓度范围1-20mg/L的氨氮模拟废水100mL，在160r/min的搅拌条件下，间隔一定时间后取上清液测定氨氮含量，利用公式1、2计算氨氮的去除率及吸附量。
公式1：
式中：η——氨氮去除率，单位：％
C0——氨氮初始浓度，单位：mg/L
Ce——氨氮平衡浓度，单位：mg/L。
公式2：
式中：qe——氨氮吸附量，单位：mg/g
V——原水体积(mL)
m——吸附剂质量(g)
C0——氨氮初始浓度，单位：mg/L
Ce——氨氮平衡浓度，单位：mg/L。
由图2可以看出，改性沸石球对于低浓度氨氮废水的处理效果要明显好于天然沸石，由图3可以看出改性沸石球吸附3h后，氨氮去除率可达到60％以上，最高去除率达93.86％，改性沸石球较天然沸石的吸附量大大提高，最高可达3.41倍。
图4列举了三种不同粒径改性沸石球对相同浓度氨氮废水吸附10min的去除率和吸附量，可以得出改性沸石球的粒径有一个最适范围，过大或过小都会影响氨氮的吸附效果。
图5列举了使用不同粒径核桃砂颗粒所制备的改性沸石球对相同浓度氨氮废水吸附10min的去除率和吸附量，使用的核桃砂颗粒粒径越大，则制备的沸石球表面和内部成孔就越大，核桃砂颗粒粒径越小，制备的沸石球成孔就越小。实验表明，核桃砂粒径在0.4-2.4mm的范围内所制备的沸石球对于氨氮的去除率相差不对，核桃砂颗粒粒径超过这个范围则会影响沸石球对氨氮的去除。
图6列举了不同原材料比例所制备改性沸石球对相同浓度氨氮废水吸附10min的去除率和吸附量，氨氮的去除率和吸附量随着比例的增加而减小，是因为作为造孔剂的核桃砂比例变少，导致沸石球表面和内部的孔变少，从而造成对氨氮吸附影响。
图7列举了不同焙烧温度制备改性沸石球对相同浓度氨氮废水吸附10min的去除率和吸附量，过低的焙烧温度会使沸石球的硬度低，同时对水体的色度产生影响，过高的温度则会破坏沸石结构，温度在400-600℃时去除率和吸附量趋于稳定。
图8列举了不同焙烧时间制备改性沸石球对相同浓度氨氮废水吸附10min的去除率和吸附量，过长或过短的焙烧时间对于氨氮的去除都是有影响的，当焙烧时间为4h时，氨氮的去除率和吸附量达到最大值。
通过以上表明，最佳条件下制备的改性沸石球对低浓度氨氮废水能达到较好的处理效果，配合以其它传统的水处理方式应用于城市湿地、湖泊、池塘中氨氮的处理能得到较好的效果。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种改性沸石球制备方法，其特征在于，包括以下步骤，将天然沸石粉、核桃砂及硅酸钠按质量比例2-6:1:1混合均匀后制球，置于80-120℃的烘箱中预热1-3h，然后置于高温炉中，400-600℃焙烧2-5h，冷却后得到改性沸石球，其表面和内部显示蜂窝状多孔形态，改性沸石球粒径范围为5-20mm。
2.如权利要求1所述的一种适于近紫外光激发的红色荧光粉的制备方法，其特征在于：所述天然沸石粉的粒度为150-250目，核桃砂的粒径为0.2-3mm，硅酸钠含有九个结晶水，高温炉为马弗炉、回转窑中的至少一种。
3.如权利要求1所述的一种改性沸石球的应用，其特征在于：所述的改性沸石球用于氨氮废水的处理过程中氨氮的吸附，同时作为氨氮废水中微生物附着生长的填料。
4.如权利要求3所述的一种改性沸石球的应用，其特征在于：在利用改性沸石球用于氨氮废水处理过程中，要求氨氮废水的pH为6-9，氨氮浓度范围1-20mg/L，温度为15-30℃，同时需要搅拌，搅拌转速为160r/min，搅拌吸附时间为3h以上。
5.如权利要求1所述的一种改性沸石球的制备方法，其特征在于：在高温炉焙烧过程升温速度为50-100℃/h，冷却速度为20-50℃，最终得到改性沸石球的比表面积为70-100m2/g，孔隙率大于15％。
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