沸石+活性炭组合工艺的应用研究

高 巍

（山西轻工职业技术学院，山西太原 030013）

沸石+活性炭组合工艺的应用研究

高 巍

（山西轻工职业技术学院，山西太原 030013）

沸石+活性炭组合工艺包含分别投加两种物质和制备成沸石/活性炭复合材料两种形式，但均可以有效地发挥沸石和活性炭的各自优势，同时去除废水的浊度、色度、氨氮及有机物，还被用于气体净化，分离等工艺中。

沸石+活性炭组合工艺；去除废水；气体净化；分离

1 组合工艺物理特征及化学性能

沸石分子筛是一类分子（原子）水平上的完美无机晶体材料，结构呈现骨架状的含有硅酸盐晶体且多孔的物质总称，由于其结构及性能原因，人们又将其称作晶体海绵。从形成途径上看又可将其分为天然沸石及人工合成沸石两种，可用化学通式MxDy[Al（x+2y）Si（x+2y）O2n]mH2O表示。式中M表示碱金属或某些一价阳离子，D为碱土金属或某些二价阳离子，就特性来看M、D均为可交换性阳离子。从结构上看，沸石具有空旷结构和巨大的表面积（包括内表面和外表面），表现出优异的吸附性、离子交换性、催化和耐酸耐热等性能，已经被广泛用于吸附剂、离子交换剂、催化剂和微反应器，还可用于气体的干燥和分离等方面。

活性炭属多孔物质，根据孔径可将其孔结构分为大孔、中孔和微孔三种，多孔结构决定其具有一定吸附性，可用作吸附材料，工业上被用作生产吸附剂常用材料之一。活性炭结构在流体中可对其中某种或某几种物质有特定吸附作用，从而对流体有一定净化作用。从微观上看，活性炭吸附其他物质主要受其与其他物质间分子间力，化学键力与静电引力作用，这三种力决定了不同的吸附机理，主要表现为物理吸附、化学吸附及交换吸附。

基于上述沸石与活性炭分别是对极性与非极性物质发挥不同的性能，国内很多学者纷纷研究利用不同原料将沸石与活性炭两种成分组合使用，更有些是将沸石与活性炭制备成一种复合材料，充分地发挥了沸石与活性炭的性能优势。沸石+活性炭组合工艺的第一种形式是依次将沸石，活性炭单一组分投加到废水处理工艺中，研究沸石与活性炭对废水中的污染物的脱除情况。沸石+活性炭组合工艺的第二种形式是将多种材料融合在一起制作出复合材料。作为一个整体，投加到废水处理工艺，或者应用到气体分离工艺中。

2 组合工艺的应用研究

2.1 组合工艺在处理废水中的应用研究

综上所述，结合活性炭与沸石吸附原理不难看出，活性炭结构特性决定其表面呈现疏水性，属于非极性材料，在去除污水色度及部分污染物（苯酚，高COD）等方面具有良好效果，但在对具有极性短链有机物的前体物净化过程中效果不佳，甚至无任何效果。与活性炭有些不同，沸石分子表面呈现亲水性，在净化过程中会对污染物进行选择性吸收，对重金属离子有一定交换性，然而在实际去除污染物过程中仅仅可去除部分污染物，尤其是对水分子、氨分子、硫化氢分子、二氧化碳分子等具有一定亲和力。此外，还可有效去除污水中的Cd2+、Ni2+、Pb2+等重金属离子。

严子春等改善水质，研究了沸石与活性炭（GAC）组合的新工艺。根据沸石与活性炭吸附性能互补性研制出沸石一活性炭组合工艺可充分发挥二者优点，在实际使用中可有效去除污染物。展开研究发现：沸石在净化有机物时其去除率不低于10%，对污水中浊度、氩氯、三氯甲烷等物质去除率均不低于去除率分别在60%，95%和40%。研制出沸石一活性炭组合工艺在处理废水时对其中苯酚、阴离子洗涤荆（LAS）和三氯甲烷的去除率不低于60%，89%，99%。

2008年Vinay Kumar Jha等以煤灰作为原材料制作出活性炭/沸石复合材料对含有Ni2+、Cu2+、Cd2+和Pb2+等金属离子的废水，根据活性炭/沸石复合材料对这些金属离子吸附性能进行排序，结果为Pb2+＞Cu2+＞Cd2+＞Ni2+，从吸附动力学角度进行分析后符合准二级动力学模型。2010年Jinghong Ma等以煤矸石作为原材料结合沥青及白炭黑制作出活性炭/沸石复合材料，制备过程中通过添加不同比例沥青对制作出活性炭/沸石复合材料性能影响。将制得的制活性炭/沸石复合材料分别通过XRD与氮吸附表征，通过分析材料总比表面积，孔径等特征研究其性能。孙鸿等利用该活性炭/沸石复合材料正在废水溶液中的应用展开分析，结果表明活性炭/沸石复合材料结构种具备中孔及微孔两种结构，融合了活性炭/沸石二者综合性能，即具有亲水、亲油以及离子交换性等功能。利用亲水、亲油以及离子交换性可直接去除废水中有机酚、氨氮及有害重金属离子等，净化效果明显。Yang等以β型沸石及乙腈为原材料制作出活性炭/沸石复合材料作为储氢材料，定量分析可知-196℃环境下具有8.33%的储氢能力。

闻春博等在传统污水生物处理系统中投加了微生物载体活性炭/沸石复合材料，形成了复合式生物反应器。该系统可有效提升微生物浓度，并可承受较高有机负荷作用，而且投加材料中沸石对氨氮有较强的选择性交换能力，活性炭对废水中的浊度降解能力强。因此实验结果表明：①系统运行过程中微生物浓度提高，对有机物降解能力有所提升。②向废水中添加粉末载体可对膨胀不良污泥起到高效抑制作用，从根本上提升污泥自身沉降及脱水性。③复合材料吸附作用不仅提高了系统对色度的去除效果，同时对系统的硝化-反硝化起到了促进的作用，以及系统对重金属等毒性物质的抗冲击能力增强。

邓慧萍等对比了单一组分与沸石+活性炭组合工艺对废水中有机物及氨氮吸附效果，研究结果为活性炭对吸附废水中有机物能力更强，沸石对吸附废水中氨氮能力更强，在活性炭辅助下沸石可稳定消除废水中有机物，由此可见沸石+活性炭组合工艺在去除废水中有机物及氨氮过程有良好的互补作用。通过研究二者不同投放顺序，结果表明：对有机物与氨氮的去除率对比来看，沸石+活性炭工艺优于活性炭+沸石工艺。

2.2 组合工艺在净化废气中的应用研究

本世纪初，Lee JS.等以谷壳为原材料制作出活性炭/X型沸石复合材料利用谷壳制备的X型沸石/活性炭，并研究该复合材料对CO2吸附性能，设置温度区间为0～80℃，在不同压力环境下展开分析。研究发现在此复合材料对CO2吸附过程符合Toth模型。马静红课题组利用煤矸石原料成功制备了LSX型沸石/活性炭复合材料，并且对对CO2、CH4和N2在复合材料上的吸附等温线展开测试，并分别使用Fraudlich、Langmuir-Fraudlich、Toth吸附模型对该过程展开拟合处理，探究拟合参数及吸附热。结果表明在相同外部环境下LSX型沸石/活性炭复合材料对三种气体的吸附能力顺序为CO2＞CH4＞N2，且对以上几种气体吸附量与复合材料中活性炭含量成反比。由此可见，沸石对CO2、CH4、N2吸附能力高于活性炭；从另一方面而言，气体在材料表面的吸附热及吸附表面的多相性与复合材料中活性炭含量成反比，吸附质与吸附剂表面相互作用力也随着复合材料中活性炭含量上升而减弱。使用NH4Cl溶液对沸石/活性炭复合材料进行处理使其改性，发现符合材料对气体吸附量有所下降，材料表面碱性降低，并在吸附表面的多相性、吸附热等方面均有一定程度降低。研究沥青添加量对沸石/活性炭复合材料吸附性能影响，发现在298K、99.3kPa环境下沸石/活性炭复合材料对CO2/CH4、CO2/N2、CH4/N2吸附性不断降低，相较于改性前，改性后吸附分离性能有所提升，即改性后石/活性炭复合材料具有较强气体分离能力。

薛彩龙等在前人基础上，以酚醛树脂作为沉积剂，研究了碳沉积对13X型沸石/活性炭复合材料的孔结构及CH4和N2吸附分离性能的影响。设置环境温度为273K，在此田建霞研究XRD和低温N2吸附表征，并绘制吸附等温线，表明酚醛树脂可以碳沉积的形式对复合材料中活性炭的微孔结构进行精细调节随着碳沉积次数增加微孔比表面积和微孔孔容降低，但其中0.45～0.55nm的微孔相对含量增加微孔分布更加均一。复合材料在298K下对CH4和N2的吸附等温线测试结果表明，虽然碳沉积使得CH4和N2吸附容量降低，但CH4和N2分离比提高。

3 应用中存在的问题

1）沸石+活性炭组合工艺，沸石表现出很好的抗冲击负荷能力，活性炭变现对氨氮去除的稳定性，但该工艺仅对微污染水体进行了研究。

2）沸石/活性炭复合材料的制备，目前研究主要是利用煤矸石，粉煤灰等固体废弃物原料，实现了废物再利用的节约理念。又将制备的复合材料运用到废水处理中，实现了以废制废的环保理念。

3）两种形式的组合工艺，在废水处理中，与生物处理法结合使用，在技术与经济上都是可行的，还有待深入研究。在气体分离中，对分离的气体种类还需扩大，分离度还有待提高。

[1] 马东祝.沸石—活性炭处理微污染饮用水源水的试验研究[D].南京理工大学，2006.

Application of Combined Process of Zeolite and Activated Carbon

Gao Wei

The combined process of zeolite and activated carbon consists of adding two kinds of materials and preparing zeolite/ activated carbon composite materials.However，zeolite and activated carbon can effectively exert their respective advantages while removing the turbidity，chroma，ammonia nitrogen And organic matter，also be used for gas purification，separation and other processes.

zeolite+activated carbon combined process；removal of wastewater；gas purification；separation

X703

：B

1003–6490（2016）10–0050–02

2016–09–15

高巍（1987—），女，山西朔州人，助教，主要从事化工工程教学工作。