科技报.开发与经济SCI/TECH INFORMATION DEVELOPMENT&ECONOMY2003年第13卷第5期

文章编号:1005一6033(2003)05一0080一02收稿日期:2002一12-28<DIV align=center>

新型饮用水除氟材料活化沸石除氟性能研究

</DIV><DIV align=center>

李水艳

</DIV>

    摘要:通过试脸手段介绍了一种新型除氛材料—活化沸石，叙述了沸石的结构特征，研究了影响活化沸石除氛容黄的因素，如活化沸石的拉径、投1、水样的含氏浓度、pH值

以及吸附时间等，并通过动态除蔽试脸，进一步证实了活化沸石用于饮用水除孰技术上的可行性。

    关健词:除氛材料;活化沸石;饮用水;

     在自然界中氛化物广泛存在于土壤、水和动植物体内，由于大部分氛化物都易溶于水，因此氛的迁移能力颇强。氟是人体必需的微量元素之一，故环境中含氟过高或缺乏均会

导致人体内氟含量的失调，从而危害身体健康。饮用水中约90％左右的氟可以被人体吸收，而食物中的氟约有20％左右能被人体吸收，所以饮水是人类摄人氟的主要途径。

水中适量氟的存在对人体健康是有益的。然而，当摄人的氟过量时，则在骨骼和牙齿等硬组织中累积导致氟斑牙甚至氟骨症等重度病症。地方性氟中毒是一种世界性疾病，

如墨西哥、阿根廷、智利等40多个国家内均有地区性饮用水中氛含量高而发生不同程度的氟斑牙和氛骨症等地方性氟中毒的情况。在我国，氛污染现象比较严重，

除上海市外，其余各省、自治区、直辖市都有一定范围的地下水高氛区，山西省是地氟病的高发区。为了确保人民身体健康.世界各国和卫生组织制定了饮用

水中奴含量标准，我国饮用水中氟化物含量标准为1. Og/L。目前，含氟水的处理方法很多，但国内外常用的方法可以分为两大类:沉淀法和吸附法。在含氟饮用水的处理中以吸附法应用居

多。本文所研究的就是吸附法中的一种新型除氟材料—活化沸石的除氟。

1沸石的结构特征

        天然矿物沸石是三维无限结构的含水碱金属和碱土金属的结晶铝硅酸盐.其主要特点是具有吸水性和失水性，并具有离子交换性能而不引起结构多大变化的性质。其次，从沸石的化学成

分看，沸石是架状硅酸盐，即它由三维的(SO小四面体的这种排列使整个Si和。的比率减到2:1。如果骨架中每个四面体都以9i作为中心离子，那么就像SO，一样，其结构是电中性的。

然而在沸石结构中，一些四价离子被三价铝代替，因此造成正电荷的不足，该电荷通过结构中别处一价或三价阳离子(如K', Na',

Ca"等)来平衡。这样该沸石的化学组成通式为:

    [M( DIM(D)I0〓A120,〓Si02〓.H20

    式中:[M( 1), m(H) I—分别为一价和二价金属离子。如

K',Na',Ca2',Ba",Sc2',

m~一一-0-90

    根据化学组成和结构的不同，沸石有许多品种，本课题所选用的原料为天然斜发沸石(Clinoptilolite)。常用的斜发沸石的分子式和单位晶胞化学式如下:(Na,K)20〓A1202〓1OSi02，括号内

离子是可文换离子，SiO2: A1202 }- 2: 1。天然斜发沸石经过一系列活化过程后即为该课题所利用的除氟材料—活化沸石。吸附等温线的测定在恒定温度下，在若干500.1烧杯中各装含氟浓度为

3.05mg/L的水样400.1,置于六联搅拌机上，向各杯中同时投加20目一40目活化沸石重量分别为2g,4g,6g,8g,1Og,12go恒速(100r/min一150r/min)搅拌1. 5h.静置15.i。后，取杯内上清液

测各杯中F一离子的平衡浓度，计算除氟容量，绘得吸附等温线。该吸附等温线显示，氟在活化沸石上的吸附符合单层吸附。

3.1影响活化沸石除报容f的各种因素31粒径对活化沸石除妞容.的影晌

 取不同筛分粒径的活化沸石在六联搅拌机上作静态影响实验。在500mL烧杯中加人已知含氟浓度(一组为同一浓度)的水样400.L，然后加人等量不同粒径的活化沸石，恒速(I OOr/wn

150r/min)搅拌1. Sho静!15nun后，取上清液侧各杯中F一离子的平衡浓度。由实验结果可以看出:粒径越小，除氟容量越高，但粒径过小，过滤阻力增大，产水量不易提高。同时，再生和反冲洗

时，粒径太小，易随出水流出而过多损耗活化沸石滤料，就水处理工艺而言，粒径一般采用5目一80目为佳。

3.2活化沸石投f对活化沸石除报容，的影响在500mL烧杯中盛含氟浓度为4.00mg/L的水样400.L，然后在各烧杯中依次加人活化沸石lg,4g,6g,耘,12g,20g，依次编号1',2',3口、a',5',6'进行

除氟效果测试，分别测出各杯中F一的平衡浓度。由实验结果可以看出:含氟水样浓度一定，体积一定的情况下，活化沸石投加量越小，除氛容量越高，随着沸石投加f的增大，沸石除氛容量随之降低，

呈对数关系。

3.3水样含妞浓度对活化沸石除旅容，的影响在500.L烧杯中盛含氟浓度分别为7.5mg/L, 4.6mg/L,4. 125mg/L,3.625mg/L,2.2mg/L,1.35 mg/L的水样400mL,然后在各烧杯中投加活化沸石7g，

进行除氛效果侧试，从而求出各除氟容量。从实验结果可以看出水样的含氟浓度与沸石除奴容量的关系:在活化沸石投加量一定的情况下，水样含氛浓度越高，则活化沸石除氟容量越高;反之，

水样含氟浓度越低，活化沸石的除氟容量也随之降低呈线性关系。

3.4吸附时间对活化沸石除扭容.的影晌在6个500mL的烧杯中盛含氛浓度为2.95mg/L的水样400mL，投加7g活化佛石，在六联搅拌机上恒速搅拌(100,/min -150r/min),搅拌时间分别为5min, 1Omin,

 15min, 30min, 60min,90min,静115mm，取上清液测各杯中F-离子的平衡浓度，从而万方数据李水艳新型饮用水除报材料—活化沸石除氟性能研究科技研讨

求出不同搅拌时间下的除氟容量。由实验结果可以看出:随着吸附时间的增加，在15nun内除氛容量近乎呈直线增长，随着时间的继续延续，除氟容量增加逐渐缓慢，到60min一90min后增加

甚微，故而可认为当吸附时间为90min时，活化沸石的吸附达到平衡。吸附时间与去除率的关系曲线也同样证实了这一点。

3. 5水样PH值对活化沸石除报容，的影晌取F浓度相同的含氟水样多份，用。.IN的HC1和1. ON的NaOH溶液调整PH值分别为3.76,4. 03,5.41,6.44,7.40,8.92,

依次编号为1',2',3',4',5',6'。在6个500.1,的烧杯中分别盛不同PH值的含氟水样400.1,,然后在烧杯中投加活化沸石纯，测试静态除氟效果，得出处理后水样的PH值，数据记录如表1所示据表

1做出水样PH值与除氟容量的关系曲线如图1所示。高位水箱兰鱼l健桂活化沸石波板钾承托层儡清水贮池4qtAra图2间歇运行动态再生装置示意图

项目编号12}3}}4一}6

水样PH3.764.035.41一}6.447.408.92

[F-]}3.4}3.753.94.04.14.1

处理后水

PH}6.086.58}，207.28一}7.94}8.90

[F〕0.600.69}。71一}0.90一}1.051.25

0.140}0. 1530.1600. 1550.1520.142

树Kn.i卜月百、m色/L少

去除率(％)82.4}81.6I 81.877.574.4}69.5

nn们nU

气夕6‘4

0000

国、国‘d劝

0. 1301-

2.004 008.00       10.00

图1水样pH值对活化沸石除氟容量的影响

    从表I及图I可以看出:第一，pH值偏高或偏低时对除氟容量均有影响在pH-5. 5左右时，除氟容量达到最高值，并且pH值减小，活化沸石溶出物明显增加，表现为处理后水浊度增加。

一般饮用水pH值在7.0左右，若适当降低pH值会更有利于氟化物的去除，不过要调整pH值就会增加除氟的费用。第二，经沸石处理后的水样，无论其最初pH值偏高或偏低，均向中性方

向调整.这一点使活化沸石更适合于饮用水的除氟。进行除氟试验。承托层厚约30cm,滤料厚70-，循环再生，装置如图2所示。

        调整出水流量为20 I/h，进行含氟水动态除氛，当一周期总出水中F-浓度达到1. Omg/L时停止运行;进行动态再生，而后进人下一周期的运行。经过3个周期的试验得出以下几点结论:第一，

活化沸石有效除氟容量可达0. 2mgF一/9活化沸石;第二，出水总硬度稍稍提高(不超过饮用水水标准);第三，[S0.'-]浓度有所增加，但尚未超过饮用水水质标准;第四，【AP令I几乎没变。

从这些结果可证明活化沸石作为一种除氟滤料在技术上是可行的。

5结论

    (1)由于沸石的结构特征，经过一系列活化步骤后，调整了其孔道结构，使其活性表面积增大，活化后能更好地吸附铝盐及其水解产物，成为铝盐的良好载体。可用来有效地吸附与交换水

中的氟离子，并可再生重复使用。

    (2)活化沸石粒径和投加量，水中氟离子浓度、P“值及吸附时间等对活化沸石的除氛容量均有一定影响。

    (3)动态试验表明:活化沸石的除氟容量虽不及骨炭，但其耐磨性大且再生方法简单，不需使用酸、碱类溶液，是一种新型的除氟材料。

    (4)活化沸石的原料是一种天然矿物，资N丰富，而我省境内就有品质优良的天然沸石矿，成本低.一旦被投人使用，必将带来很好的经济效益和社会效益。

参考文献

川中国科学院大连化学物理研究所分子筛组编著沸石分子筛[M].北京:科学出版社，19784间歇式动态再生除撅效果测试  为证实活化沸石在实际运行中的可靠性，用内径34.m、长

2m的有机玻璃管作滤柱.内装20目一40目活化沸石滤料600g,

第一作者简介:李水艳，女，1970年生，山西省晋中市人.1995年毕业于太原理工大学市政工程专业(工学硕士)，工程师，太原市供水设计研究院，山西省太原市新建路475号,030009.