沸石的作用原理?
1.选择性吸附作用 首先,我们从沸石的矿物学特征说起。根据分子筛的晶体化学特点,它可以分为以下几种类型:硅铝型(即Al2O3>Na2O>K2O/CaO>MgO>TiO2>Fe2O3>MnO>P2O5>ZnO>CuO>SnO2>Bi2O3>Sb2O3)、铝钠型(即Na2O>K2O/Ca0>SiO2>Al2O3>MgO>TiO2>FeO>MnO—)和钙碱型(即CaO>Na2O>K2O/Cao>SiO2>Al2O3 >MgO> TiO2> Fe2O3 )。
从图中可以看出,对于同一种类型的沸石,其阳离子交换容量和阴离子交换容量的大小顺序是:Na+> K+> Ca2+,因此我们可以得出如下结论: 所以可以认为,当溶液中离子的种类较多时,沸石对阳离子具有选择性吸附作用;而当溶液中离子浓度较高时,沸石对阴离子也具有选择性吸附作用。
值得注意的是,虽然各种天然沸石均具有上述特征,但不同沸石间的差异还是相当大的,例如: 可见,即使是同一类别的沸石,由于来源不同的原因,其选择吸附的性能也是有一定差异的。
2.交换作用 现在我们来讨论第二个问题,即沸石在除去水中的痕量金属离子时所发挥的作用机理。要阐明这个问题,我们必须先介绍一个概念——离子半径。
所谓离子半径是指离子所带电荷数与相应原子半径的比值。对于同一族的元素而言,由于电子层数相同,故离子半径与原子半径之比几乎不变;而对于不同族元素,由于最外层电子数相差较大,故离子半径与原子半径之比变化较为明显。我们列出了常用的主族元素的离子半径和副族元素的离子半径,供大家参考。
一般来说,离子半径越大,则该离子所带的电荷越容易丧失,亦即该种离子越易与其他化合物发生相互作用,包括静电引力作用和共价键作用等。 那么回到我们的话题来,由于沸石具有较大的分子量和一定的阳离子交换容量,故其对水溶液中的阳离子具有较强的结合能力。由于沸石具有多孔的结构,故其对阳离子有较好的负载能力。
以上只是从理论上介绍了沸石对杂质元素的选择性吸附作用及原理,事实上,当我们将其应用于实际的水处理过程中,还必须考虑温度的影响。有实验表明[8],温度对沸石去除金属离子有很大影响,温度越高,除垢率越高,这说明高温有利于降低水中矿物垢的含量。这也是因为温度越高,分子的运动速度越快,沸石对阳离子亲和作用的驱动力越强,从而导致更大的结合速率常数和平衡常数,最终使沸石对阳离子的去除效果更显著。