沸石在混泥土中的作用

沸石是一種多孔的火山灰質(zhì)材料——火山噴發(fā)的火山灰，，一般以玻璃體為主，火山玻璃質(zhì)失去了物理化學(xué)穩(wěn)定性逐漸轉(zhuǎn)化成晶相玻璃質(zhì)。這種材料具有活性火山灰性，(系指把火山灰材料本身磨細(xì)加水以后并不硬化，但當(dāng)將其與石灰混合再加水拌和后，不僅能在空氣中硬化而且也能在水中繼續(xù)硬化的性能)。

因此，將沸石磨細(xì)成粉后，代替混凝土中的部分水泥，既能降低工程成本，又能減小混凝土中的水化熱。另外，沸石粉具有黏度及滾珠效應(yīng)，在流態(tài)混凝土和泵送混凝土中摻入沸石粉，混凝土拌和物的結(jié)構(gòu)黏度得以提高，同時(shí)，混凝土拌和物的抗離析泌水性能也能得以改善。

近年來(lái)，在沸石晶內(nèi)或粒間含有三維交叉連接介孔的多級(jí)孔材料因在擴(kuò)散、催化活性、擇形性和反應(yīng)壽命上有很大的改善而受到廣泛關(guān)注。迄今為止，已有許多制備多級(jí)孔沸石的合成方法見(jiàn)諸報(bào)道，例如，非模板劑法(后處理脫硅、脫鋁和脫鈦)、硬模板法和雙模板組裝法等。其中，利用沸石納米簇在表面活性劑膠束導(dǎo)向下自組裝形成的復(fù)合材料結(jié)合了微孔沸石與介孔材料的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有較高的酸強(qiáng)度和較大的孔徑，因此在大分子的催化反應(yīng)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

通常介孔沸石材料是通過(guò)“靜電作用力”或“氫鍵”使表面活性劑與沸石前驅(qū)體自組裝合成的。CTAB是帶正電荷的表面活性劑，在堿性條件下易與帶負(fù)電荷的硅物種實(shí)現(xiàn)自組裝而得到介孔沸石材料。而非離子的兩親性嵌段聚合物P123則通過(guò)(N0H )(X－S )相互作用實(shí)現(xiàn)組裝(N0是中性表面活性劑，H 是質(zhì)子，X－是對(duì)抗陰離子，S 是質(zhì)子化的硅羥基群)，因此在堿性條件下通過(guò)P123實(shí)現(xiàn)沸石前驅(qū)體的組裝條件比較苛刻。

采用天然沸石顆粒處理模擬氨氮廢水，對(duì)比研究了常溫和中高溫下沸石吸附效果的差異，探討了高溫下吸附過(guò)程的熱力學(xué)，并優(yōu)化了高溫下沸石吸附氨氮廢水的操作工藝。究結(jié)果表明:天然沸石適合處理高溫氨氮廢水。

背景闡述

氨氮是指水中以游離氨(NH3)和銨根離子(NH4 )形式存在的氮。水體中的氨氮可導(dǎo)致水富營(yíng)養(yǎng)化，是主要的耗氧污染物，因此對(duì)含氨氮的廢水，特別是工業(yè)氨氮廢水必須經(jīng)處理后才能排放。工業(yè)氨氮廢水，如工業(yè)循環(huán)冷卻用水、焦化廠廢水、食品加工廠廢水及制藥工廠廢水等的共性是溫度較高，都超過(guò)了45℃。但目前的廢水處理方法，包括生物硝化/反硝化、樹(shù)脂離子交換和化學(xué)沉淀等均不適合直接處理高溫氨氮廢水，需要預(yù)先對(duì)廢水進(jìn)行加水稀釋冷卻或熱交換器降溫處理，增加了處理工藝流程，加大了廢水處理的成本。

天然沸石是一種呈結(jié)晶陰離子型架狀結(jié)構(gòu)的多孔硅鋁酸鹽礦物質(zhì)，在自然界中分布廣泛，其結(jié)構(gòu)中鋁氧四面體結(jié)構(gòu)的電負(fù)性使天然沸石極易吸附銨根離子等陽(yáng)離子，且同時(shí)具有耐高溫、耐酸堿等特性，因此在處理高溫氨氮廢水方面有潛在的應(yīng)用前景。

天然沸石在高溫氨氮中的吸附性能

天然沸石在高溫氨氮中的吸附性能

不同溫度下天然沸石對(duì)溶液中氨氮的平衡吸附效果如圖1所示。由圖1可以看出在常溫階段(35℃以下)，天然沸石對(duì)氨氮的吸附質(zhì)量比為1.0mg/g左右。隨著溫度的升高，吸附質(zhì)量比顯著增大，在60℃以上達(dá)到2.0mg/g左右，并隨著溫度的繼續(xù)升高維持在一定范圍內(nèi)。因此天然沸石適用于處理中高溫氨氮廢水，且在同等用量下，吸附效果明顯優(yōu)于常溫下的吸附效果。這是由于溫度的升高加速了溶液中和沸石上的分子和離子的熱運(yùn)動(dòng)，提高了沸石對(duì)溶液中氨氮的吸附活性。

在沸石處理高溫氨氮廢水特別是循環(huán)冷卻水過(guò)程中，沸石的大小直接影響進(jìn)水阻力。同時(shí)天然沸石顆粒的粒徑大小決定了沸石顆粒在溶液中與離子的接觸面積，影響了天然沸石對(duì)溶液中氨氮的吸附量。選取不同粒徑下的天然沸石對(duì)高溫氨氮溶液進(jìn)行吸附

隨著沸石粒徑的減小，天然沸石對(duì)溶液中氨氮的吸附速率和平衡吸附量均有顯著增加。沸石粒徑從8～10mm下降到1～2mm時(shí)，吸附質(zhì)量比由1.3mg/g提高到2.1mg/g。而沸石粒徑下降到0.5～1mm時(shí)，吸附效果基本不再增加。觀察發(fā)現(xiàn)粒徑為0.5～1mm時(shí)沸石顆粒在容器底部易團(tuán)聚，從而影響天然沸石與溶液離子接觸面積的提升。同時(shí)沸石作為濾料處理廢水時(shí)，沸石粒徑直接影響到進(jìn)水阻力，粒徑過(guò)小時(shí)，容易混入廢水流失。因此綜合考慮沸石破碎難易程度、吸附效果、進(jìn)水阻力和流失難易等因素，選取蕞佳粒徑為1～2mm。

由于高溫吸附反應(yīng)體系的影響，使得沸石對(duì)氨氮的吸附效果在堿性廢水環(huán)境下吸附量明顯降低。溶液中Ca2 的存在降低了沸石的吸附效果，而Mg2 和磷酸根對(duì)吸附效果基本無(wú)影響。另外，天然沸石對(duì)于氨氮吸附效果是明顯優(yōu)于活性炭和人造沸石的吸附效果。