隨著工農業生產的發展和人們生活水平提高,大量氨氮濃度較高的工業廢水和生活污水進入河流、湖泊等水體,促使水體富營養化,造成水體生態環境破壞,對人類健康構成危害。水中氨氮以非離子態氨和離子態氨形式存在,當氨氮濃度過高并被氧化成亞硝酸鹽時,會對人體健康造成危害,即誘發高鐵血紅蛋白癥和產生致癌的亞硝胺。氨氮是水處理中主要的目標去除物之一,一般來說,氨氮的處理方法包括物理法、化學法和生物法,折點加氯法成本高且會增加水中總溶解固體;吹脫法需要把pH調節到較高的范圍,且易受季節溫度的影響;生物法是最為經濟有效的方法,但要求水中具有一定的有機質且無法深度去除水中氨氮。吸附法受溫度的影響不大、成本低、操作容易、可再生利用,能深度處理水中氨氮達到完全除氮的目的。
沸石屬于架狀硅酸鹽礦物,沸石結構中存在孔道、孔口和晶籠,由于四面體中鋁替代硅導致結構電荷不平衡,其中平衡結構電荷的大半徑、低電價陽離子K+、Na+、Ca2+等屬于可交換陽離子,極易與其周圍水溶液里的陽離子發生交換作用,因而具有良好的吸附及離子交換性能。沸石對NH4+的選擇吸附性能高于有機陽離子交換樹脂,沸石對陽離子的選擇交換順序:Cs+>Rb+>K+>NH4+>Sr+>Na+>Ca2+>Fe3+>Al3+>Mg2+>Li+。沸石種類繁多,其中,斜發沸石對氨氮吸附效果最佳。利用斜發沸石對水中氨氮吸附特性,可將其作為人工濕地土壤改良劑、曝氣生物濾池的濾料。
天然沸石:本研究所用天然沸石為河北省圍場縣斜發沸石,主要礦物成分為斜發沸石45%,石英35%,方鮮石1%,長石6%,伊利石5%,蒙脫石5%,天然沸石經破碎、篩分后,收集粒徑為1-2mm的顆粒,洗滌、干燥后備用。
不同用量的沸石對氨氮的吸附實驗結果如圖所示。實驗中,沸石粒徑58-120μm,用量分別為1g、2g、5g、8g、10g、15和20g。初始氨氮濃度C0=100mg/L,溫度t=30℃。結果表明,隨著沸石用量的增加,沸石對氨氮的去除率增大,單位吸附質量比迅速減少,由312.75mg/kg下降到124.31mg/kg。此外,當沸石用量低于8g時,氨氮的吸附質量比隨著沸石用量的減少迅速增加。
隨著天然沸石粒徑與投加量的減小,沸石對氨氮的吸附質量比顯著增加;在pH值為4-8的范圍內,沸石的氨氮去除效果變化不大,當pH為中性時,去除效果最好。