[发明专利]提高天然沸石离子交换能力和效率的方法

说明书

技术领域

本发明属于天然沸石处理方法，具体涉及一种提高天然沸石离子交换能力和效率的方法。 

背景技术

对于重金属，目前没有严格的统一的定义，现今比较流行的说法是，金属的比重＞5者，也有人认为＞4者称为重金属，比重大于5者的金属有约45种，比重大于4者的约有60种。还有一种说法是元素周期表中原子序数大于20（钙），即从21（钪）起为重金属。一般都认为重金属是有毒的，但也不一定都是有毒的。现在人们普遍认为有毒的重金属是指在环境污染中常见的一些重金属，如铅、汞、镉等和类金属砷，以及一些毒性较轻的半重金属如锌、铜、钴、镍等。但不论怎么说法，这些重金属元素在人类活动环境中达到一定的浓度就会造成环境污染，对生命和人类健康有很大的危害。 

重金属污染对人类健康和自然环境产生大量危害，重金属污染的最大特点是它不能在环境中降解，只能迁移，也就是说，一旦水体或土壤被重金属污染后，水体和土壤不能靠自身的净化作用将污染的重金属消除，而且由于重金属在生物体内会积聚，随着时间的推移，当重金属在体内积聚到一定量时就会使生物体致病，致畸或突变，导致生物体死亡。因此治理环境重金属污染对生物和人体健康是极其重要的。 

治理环境重金属污染除了政府主导的政策法规之外，在技术层面上已经研发和实施了许多技术措施。如治理水体重金属污染技术有物理处理法，包括离子交换法、膜技术分离法等；化学处理法，包括化学沉淀法、电解法等；生物处理法，包括生物吸附法、生物转化法、硫酸盐还原菌净化法等。治理土壤重金属污染技术有淋溶法、固定化法、流化床法等。在治理水体和土壤重金属污染的诸多技术中，大多核心技术都涉及沸石的利用技术，沸石在治理环境重金属包括核辐射元素污染方面有独特的作用和应用价值。 

沸石是一种架状结构的含水的铝硅酸盐矿物，其Si/Al比和阳离子都是变值，它们的化学组成通常表示为(Na,K)_x(Mg,Ca,Sr,Ba)_y[Al_x+2ySi_n-(x+2y) O_2n]＊_mH₂o。式中，Al的个数等于阳离子总价数，O的个数为Al和Si的总数的两倍，硅氧四面体[SiO₄]是沸石结构的基本单位，它是由一个硅离子和周围的四个氧离子按四面体的形状排列而成的，硅离子处于四面体的四个角顶。硅氧四面体中的硅离子可被铝离子置换而形成铝氧四面体[AlO₄]。在铝氧四面体中，有一个氧离子的负一价得不到中和而出现负电荷。为了平衡这些电荷，相应的就由碱土金属补偿，但这些补偿阳离子与晶格结合力很弱，具有很高的自由度，活跃在孔道中，使沸石具有优良的离子交换性能。硅氧四面体和铝氧四面体通过其角顶相互连接，便形成了各种的三维硅(铝)氧格架，即沸石结构。沸石结构具有无数的硅氧格架，呈蜂窝状结构，在晶体内部形成很多孔径均匀的孔道和内表面很大的孔穴，从而对重金属离子通过离子交换而有选择的吸附性，一旦被吸附就不易再被其他轻金属离子解离脱落而被固定在孔穴中。因此，利用沸石脱除污染水源和土壤中的重金属离子是有益而有效的方法。 

Cholpeck and Adriano（1966）向污染土壤中加入15g/kg沸石，使得玉米和大麦对重金属Pb、Cd的吸收量明显减少；C. Haidounti（1998）将沸石加入到污染汞的土壤中，加入量达到土壤的5%时，紫花苜蓿根部汞浓度减少58%，芽部减少86%，植物地上部分所积累的重金属量明显减少。Z. S. Chen（2000）将沸石加入到污染Cd和Pb的土壤中，沸石减少了土壤中析出Cd和Pb的量，种植的水稻其芽中Cd和Pb的含量明显减少，在沸石加入土壤后，可移动的Cd和Pb离子转换成不可吸收的形态。 

虽然利用天然沸石脱除污染水体和土壤中的重金属是简易而有效的方法，但实行大面积、大规模治理仍有实际困难，难以推广应用。主要问题是天然沸石吸附水体和土壤中重金属的效率不够高，如在中度污染Pb、Hg的土壤中要加入耕作层土量5～15%的沸石量，每亩要用沸石100～300吨，而且要在土壤中混合均匀，同时还要考虑到混合后土壤的pH、水分、营养成分等一系列的变化，以及有效治理周期，因此实施工程化治理是困难的，治理的成本也是高昂的。