沸石處理農(nóng)村高鐵錳地下水的改性研究

王云波，廖天鳴

（長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，長沙410014）

高鐵錳地下水在我國分布非常廣泛，并且鐵、錳通常共生［1-2］。鐵錳超標(biāo)的飲用水，色、嗅、味等感官性狀差，令人難以下咽，嚴(yán)重的會導(dǎo)致胃腸功能紊亂［3］。當(dāng)前，新農(nóng)村建設(shè)日新月異，農(nóng)村飲用水安全受到關(guān)注。然而受水源條件和經(jīng)濟(jì)條件的限制，大部分地區(qū)農(nóng)民僅僅是解決了飲水難問題，但仍未解決飲水衛(wèi)生安全問題。水中存在的鐵和錳通常都是還原態(tài)，通過催化氧化過濾對其去除是常用的方法，但存在著需要較長的成熟期，并且錳同步去除效果較低等問題，本文針對農(nóng)村地區(qū)的鐵錳去除，旨在尋求一種操作方便、經(jīng)濟(jì)、高效的除鐵除錳方法。

當(dāng)前水處理工藝中，改性沸石濾料過濾就是除鐵錳一種新工藝［4-5］。沸石在我國分布很廣泛，是一種天然、無毒、無味、相對于環(huán)境沒有影響的礦石，價(jià)格低廉，具有吸附、離子交換等性能［6-9］，非常適合作為農(nóng)村水處理材料。經(jīng)過鹽酸、NaCl、微波等改性處理后，沸石晶體的負(fù)電性減弱，沸石對陽離子的吸附效率提高；同時(shí)通過改性可以不同程度地破壞沸石表面，使沸石的比表面積增加，提高了沸石的吸附和離子交換性能，將鐵、錳離子從地下水中去除。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用浙江縉云沸石，硅鋁比4.25～5.25，比表面積230～320m2/g，密度 0.8～1.2g/cm3。其主要成分：SiO2（69.58%），Al2O3（12.2%），F(xiàn)e2O3（0.87%），CaO（2.59%），MgO（0.13%），Na2O（2.59%），K2O（2.59%），其他（10.91%）。

實(shí)驗(yàn)所用主要儀器：AUY120型電子天平（日本島津）；PHSJ-3F型pH計(jì)（上海精密科儀有限公司）；7200型可見分光光度計(jì) （尤尼柯儀器有限公司）；202-2AB型電熱恒溫干燥箱（天津市泰斯特有限公司）；DJ-6CS型精密六聯(lián)電動攪拌器（金壇市大地自動化儀器廠）；WD900Y型微波爐（格蘭仕微波電器有限公司）。

實(shí)驗(yàn)所用試劑主要有：NaCl、鹽酸、硫酸亞鐵銨、硝酸、錳粉等，實(shí)驗(yàn)配置試劑用水為去離子水，試劑均為分析純，原水為人工配制的模擬水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

1.2.1 沸石改性

（1）NaCl改性。 配制濃度5%、10%、15%、20%、25%、30%NaCl溶液，按固液比（g/mL）1∶20，在20 ℃條件下浸泡沸石24h。此后，用去離子水反復(fù)沖洗沸石，放入烘箱中105℃烘干。

（2）鹽酸改性。 配制濃度2%、4%、8%、12%、16%鹽酸溶液，按固液比（g/mL）1∶20，在20 ℃條件下浸泡沸石24h。此后，用去離子水反復(fù)沖洗沸石，放入烘箱中105℃烘干。

（3）微波改性。實(shí)驗(yàn)使用900W微波爐，微波頻率2045MHz，加熱時(shí)間分別為1，3，5，8，10min。

1.2.2 靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)

用硫酸亞鐵銨配制Fe溶液，將錳粉溶于硝酸（1+1）中稀釋后制成Mn溶液，常溫下裝入帶蓋瓶中密封保存?zhèn)溆?，測定20 ℃時(shí)Fe和Mn的標(biāo)準(zhǔn)曲線［10］。

用配制好的Fe溶液或Mn溶液稀釋成一定濃度（實(shí)驗(yàn)中未考慮Fe、Mn離子的競爭吸附），實(shí)驗(yàn)時(shí)按需要等量分取數(shù)份，置于50mL小燒杯中，并按固液比（g/mL）1∶20加入等量經(jīng)不同條件改性的沸石，另設(shè)參照組（天然沸石），以觀察改性效果。將這些燒杯置于六聯(lián)電動攪拌器下攪拌2.5h，靜置22h達(dá)到吸附平衡后，取上清液測定Fe、Mn濃度的吸光度，求出Fe、Mn濃度。

各種沸石改性效果的大小，可以用吸附平衡時(shí)溶液中的Fe、Mn含量與對照組中Fe、Mn含量的差值與原溶液中Fe、Mn含量的比值表示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 NaCl改性

用經(jīng)過不同濃度的NaCl溶液改性后沸石，投加到吸光度0.478的含鐵原水和吸光度0.390含錳原水中分別做靜態(tài)吸附試驗(yàn)。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)NaCl溶液濃度越高，可同步提高沸石除鐵、除錳效果。在NaCl濃度為25%時(shí)改性效果最好，經(jīng)改性后的沸石與改性前相比，鐵去除率提高了13.81%，錳去除率提高了26.4%，而后隨著NaCl濃度的提高，改性后沸石的除鐵除錳效果變化不大，如圖1和圖2所示。

圖1 NaCl改性沸石除鐵效果

圖2 NaCl改性沸石除錳效果

沸石經(jīng)NaC1溶液改性處理后變?yōu)殁c型沸石，Na+置換了沸石孔穴中原有的Ca2+和Mg2+等半徑較大的陽離子，使其孔徑變大，吸附容量增加，故其去除鐵錳的能力得以提高［11］。但當(dāng)離子交換達(dá)到平衡后，吸附容量達(dá)到最大，因而繼續(xù)增大NaCl溶液的濃度去除效果也不會提高，同時(shí)還會增加處理成本。

2.2 鹽酸改性

將經(jīng)過改性后的沸石投加到吸光度為0.613的含鐵原水和吸光度為0.834含錳原水中分別進(jìn)行除鐵除錳的試驗(yàn)，結(jié)果表明：高濃度鹽酸對沸石的改性效果比低濃度鹽酸好，但變化幅度不大，改性效果不理想。經(jīng)濃度為16%鹽酸改性后的沸石，除鐵的最佳效果亦不及天然沸石的1.04倍。鹽酸改性后的沸石除錳效果也不好，且鹽酸用量多，成本高。實(shí)驗(yàn)的具體數(shù)據(jù)見圖3和圖4。

圖3 鹽酸改性沸石除鐵

圖4 鹽酸改性沸石除錳

2.3 微波改性

沸石經(jīng)微波改性后，對鐵錳去除效果改變情況見圖5和圖6。實(shí)驗(yàn)表明，隨著微波加熱時(shí)間的延長，對鐵、錳的去除效果均增加，其中除錳效果的增加幅度明顯高于除鐵。微波10min改性后沸石對錳的吸附能力較天然沸石提高了24.15%，但對鐵吸附能力改變較小，僅提高了4.78%。

圖5 微波改性沸石除鐵

圖6 微波改性沸石除錳

微波是一種高頻電磁波，具有獨(dú)特的熱效應(yīng)，加熱時(shí)，微波進(jìn)入到沸石內(nèi)部，由內(nèi)向外進(jìn)行加熱，電磁能直接作用于介質(zhì)分子并轉(zhuǎn)換成熱，由于內(nèi)部缺乏散熱條件，造成內(nèi)部溫度高于外部溫度，形成驅(qū)動內(nèi)部水分向表面滲透的蒸汽壓差，從而加速水分的遷移蒸發(fā)速率［12］，水分蒸發(fā)后使沸石的孔隙結(jié)構(gòu)更加完善，吸附和離子交換性能提高。

3 結(jié)語

（1）采用NaCl對沸石改性，隨著NaCl溶液濃度的提高，可以同步提高沸石除鐵、除錳效果。在NaCl濃度為25%時(shí)改性效果最好；經(jīng)改性后的沸石與改性前相比，鐵去除率提高了13.81%，錳去除率提高了26.4%；而后隨著NaCl濃度的提高，改性后沸石的除鐵除錳效果變化不大。

（2）高濃度鹽酸對沸石的改性效果比低濃度鹽酸好，但變化幅度不大，改性效果不理想，且鹽酸用量多，成本高。

（3）采用微波改性沸石時(shí)，隨著微波加熱時(shí)間的延長，對鐵錳的去除效果均增加，其中除錳效果的增加幅度明顯高于除鐵。微波10min改性后沸石對錳的吸附能力較天然沸石提高了24.15%，對鐵吸附能力提高了4.78%。

采用廉價(jià)的沸石處理農(nóng)村高鐵錳地下水，尋求經(jīng)濟(jì)有效的改性方法，至關(guān)重要。經(jīng)過改性的沸石的吸附量都比天然沸石有所提高。在3種改性沸石中，吸附效率提高最大的是經(jīng)飽和NaCl溶液浸泡改性的沸石。

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