沸石是由SiO₂、Al₂O₃、H₂O和碱金属（碱土金属）离子组成的硅（铝）氧四面体^〔1〕，其内部结构是互相连接的孔道，约占总体积的50%，比表面积大，仅次于活性炭^〔2〕。沸石结构的特殊性决定了沸石具有吸附、离子交换和催化的特性^〔3-4〕。

沸石具有选择性吸附的特点^〔5〕。吸附过程中，小于沸石孔道直径的离子能够被吸附，大于其孔道直径的离子不能被吸附，因此沸石又被称为分子筛吸附剂^〔6〕，对H₂O、NH₃、H₂S、CO₂等高极性分子有很高的亲和力。沸石在去除氨氮方面表现优良，国内外的学者进行了很多研究^〔7-8〕。沸石吸附饱和后，其吸附能力和交换性能随之消失，因此吸附饱和沸石的再生成为当前研究的热点^〔9〕。

笔者选用天然沸石，考察再生液浓度、时间和温度对吸附氨氮后沸石再生效果的影响，优选最佳的再生条件。并在上述研究基础上进行多次化学再生，考察沸石吸附性能的保有率，以期为沸石处理氨氮污水的实际应用提供理论依据。

氯化铵、氢氧化钠，国药集团化学试剂有限公司；氨氮试剂包，甘肃连华科技股份有限公司；以上试剂均为分析纯。

选用辽宁朝阳天然沸石，平均粒径0.5~1 mm，密度1.98 g/cm³，堆积密度0.95 g/cm³，孔隙率40%~55%，硅铝比4.22~4.41。天然沸石的元素组成见表1，SEM照片见图1。

用去离子水配制200 mg/L的NH₄Cl溶液，将一定量沸石置于D 32 mm的吸附柱内，温度30 ℃，流量330 mL/h，吸附柱出口氨氮质量浓度达到进口的95%时，测定沸石吸附量为10.88 mg/g，静置沉淀，使用去离子水洗涤3~5次，将吸附饱和沸石放入烘箱中103 ℃烘干，置于干燥器中备用。

（1）再生液质量分数对再生效果的影响。用去离子水分别配制200 mL质量分数为0、1%、4%、5%、8%、10%、15%、20%的NaOH再生溶液，饱和沸石投加量为50 g/L，将其置于恒温振荡器中，温度40 ℃，再生时间4 h，静置沉淀后用去离子水洗涤3~5次，分别测定沸石的解吸率。用200 mL质量浓度为200mg/L的NH₄Cl溶液浸泡再生后的沸石，40 ℃下反应8 h，测定沸石再生活性比。解吸率和再生活性比按式（1）、式（2）计算。

(1)

式中：C_R——再生液中的氨氮质量浓度，mg/L；

V——再生液体积，L；

m——再生沸石的质量，g；

q——沸石饱和吸附量，mg/g。

(2)

式中：C_e——污水中剩余氨氮质量浓度，mg/L；

V——氨氮污水体积，L；

m——再生沸石质量，g；

q₀——新鲜沸石平衡吸附量，mg/g。

（2）时间对再生效果的影响。用去离子水配制质量分数为4%的NaOH再生溶液200 mL，饱和沸石投加量为50 g/L，置于恒温振荡器中，温度为40 ℃，再生时间为2、3、4、5、6、9、10、24 h，其他步骤同（1）。

（3）温度对再生效果的影响。用去离子水配制质量分数为4%的NaOH再生溶液200 mL，饱和沸石投加量为50 g/L，置于恒温振荡器中，温度分别为30、40、50、60、70、80 ℃，再生时间4 h，其他步骤同（1）。

用去离子水配制600 mg/L NH₄Cl溶液200 mL，投加150 g/L天然沸石，置于恒温振荡器中进行吸附，温度为40 ℃，吸附时间为8 h，测定剩余氨氮质量浓度，吸附后的沸石用去离子水洗涤后烘干。

用去离子水配制质量分数为4%的NaOH再生溶液，吸附沸石投加量为500 g/L，置于恒温振荡器中，60 ℃下反应4 h，测定解吸氨氮的质量浓度。

考察了NaOH再生液质量分数对沸石再生效果的影响，结果见图2。

由图2可知，清水浸泡实现了沸石的部分再生，但效果欠佳。当NaOH溶液质量分数为5%时，解吸率达到92.43%，之后变化趋于平缓。随着NaOH再生液质量分数的增加，再生活性比呈曲线变化。

沸石的再生以Na⁺和NH₄⁺的离子交换过程为主，当NaOH质量分数为4%时，Na⁺基本满足与NH₄⁺的离子交换需求，质量分数继续增大对解吸作用的影响有限。NaOH溶液质量分数为4%时，再生活性比达到91.8%，而后下降。再生后的沸石转变为Na⁺型沸石，改善了沸石的吸附性能。但过高浓度的再生液破坏了沸石的表面或孔道结构，再次吸附能力下降。不同质量浓度再生液再生前后的沸石表面SEM见图3。

由图3可见，与天然沸石对比，吸附氨氮后沸石的表面层状结构相对饱满，每个片层的面积较大，而未吸附氨氮的沸石表面略显零碎。沸石经过再生后孔洞结构更加明显，有利于沸石对氨氮的再次吸附。沸石的主要结构是硅铝架构，过高浓度的再生液与硅铝发生反应，会破坏沸石的孔道结构，使沸石的吸附性能降低，影响其再次吸附氨氮。

沸石的再生包括2个过程：（1）碱性溶液对NH₄⁺的解吸；（2）碱性溶液对沸石表面形态的改变。新鲜的再生液与吸附饱和沸石接触后，由于固相与液相之间存在NH₄⁺的浓度差，NH₄⁺会自发摆脱沸石的束缚进入到液相；当浓度差的传质推动力不足时，Na⁺与NH₄⁺产生交换，对沸石材料进一步再生。因此，沸石再生过程中起决定作用的是再生液中Na⁺的数量。

考察了再生时间对沸石再生效果的影响，结果见图4。

由图4可知，沸石的解吸率随着再生时间的延长而增大，5 h后解吸率趋于平稳，表明5 h基本达到解吸平衡，完成了溶液中沸石间的离子交换。沸石的再生活性比呈现曲线变化，4 h时达到90.14%，之后再生沸石的二次吸附性能下降，表明长时间再生不利于二次吸附。不同时间下再生沸石的SEM照片表明：沸石的再生需要一定时间来完成离子交换过程，以达到氨氮在沸石上吸附与解吸的动态平衡。沸石与再生液长时间充分接触，虽然能够实现氨氮的完全解吸，但一定程度上改变了沸石的内部结构，对其再次吸附能力造成一定影响，降低了沸石的吸附能力和使用寿命。

沸石的解吸是一个物理化学过程，温度升高加速了反应进行，有利于NH₄⁺解吸。由实验结果可知，随着温度的升高，沸石的解吸率处于较高水平，且逐渐增大，当温度达到80 ℃时，解吸率为95.92%。温度为70℃时再生活性比为95.57%，之后下降。

不同温度下再生的沸石表面SEM照片见图5。

温度升高对沸石解吸的影响不大，基本可实现氨氮从沸石上完全解吸。但高温下再生对沸石的结构影响很大，从图5可以看出，低温下再生沸石的基本架构还保持完整，高温下沸石的孔道结构变多，增加了沸石再次吸附的性能，但结构的松散化也使得沸石的使用寿命相应变短，容易粉化。可见，高温破坏了沸石的表面或孔道结构，二次吸附能力减弱。所以在保证解吸完全的情况下，不影响沸石再次吸附的再生温度才是最佳选择。

无机的酸碱和盐溶液可用来再生沸石，通过改变吸附平衡将吸附的氨氮从沸石上脱附下来。一般通过改变污染物和吸附剂的化学性质，或用对吸附剂亲和力比污染物更强的物质进行置换来实现。对吸附饱和的沸石多次再生，探究多次再生对沸石吸附性能的影响，结果见图6。

吸附性能的改变将决定沸石在实际污水处理工艺中的适用性。如果多次吸附后沸石的吸附能力大幅下降，表明沸石的使用寿命短，需要经常更换新鲜沸石，增加处理成本，经济效益差。图6表明沸石多次吸附后，剩余氨氮呈上升趋势，解吸氨氮降低，表明沸石的吸附能力有所下降。将沸石每次吸附后的剩余氨氮和解吸氨氮进行加和，结果见表2。

沸石多次再生试验使用600 mg/L NH₄Cl溶液，将剩余和解吸的氨氮相加发现，沸石每次能处理的氨氮量在减少，沸石的吸附能力有所下降。其原因可能是沸石中有些氨氮未能脱附，占据了沸石的吸附位点，不利于再次吸附。以加和的氨氮与原始氨氮的比值来衡量沸石的吸附性能，得出经过25次再生后沸石的吸附率能保持在85.2%，平均每次再生沸石吸附能力丢失0.6%，具有工业应用的可行性。

（1）沸石的再生途径包括：碱性溶液对NH₄⁺的解吸；碱性溶液对沸石表面形态的改变。

（2）化学再生试验表明：NaOH溶液对饱和沸石的再生效果显著，在保证氨氮解吸完全且不影响沸石再次吸附的条件下，再生液最佳质量分数为4%，再生时间4 h，再生温度60 ℃。

（3）沸石经过25次再生后吸附能力保持在85.2%，平均每次再生丢失0.6%，具有工业应用的可行性。