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石英砂的氧化涂層的改性實驗

發布時間:2013-03-16 11:13

       本文介紹了氧化鋁涂層石英砂和未涂層石英砂對微污染原水進行直接過濾的研究結果無論對濁度還是對有機物的綜合去除氧化鋁涂層砂濾料過濾效果均明顯優于未涂層砂濾料。 關鍵詞改性濾料 有機物去除 過濾 氧化鋁涂層砂 低濁或低溫低濁的微污染原水在常規的混凝、沉淀、過濾等處理工藝中得不到理想的處理效果。采用氧化鋁改性劑涂在石英砂上可改變石英砂表面的負電性。采用這種氧化鋁涂層砂進行直接過濾可以有效地提高對濁度和有機物的去除效果。
   首先,我們先來了解一下石英砂在懸浮作用下遷移現象的機理分析:
懸浮雜質顆粒在濾料空隙中的質量遷移作用可以用遷移擴散方程來表示 式中 C--懸浮顆粒的濃度 t --時間 m --顆粒的遷移率 ▽--Laplace算符--懸浮顆粒的速度矢量 --與位置有關的懸浮顆粒的擴散系數 Φ --顆粒相互作用的總能量 此方程說明了懸浮顆粒間和顆粒與濾料間的作用機理方程左邊認可項表示懸浮顆粒的時間變化率第二項代表水動力學遷移方程右邊的認可項代表布朗擴散遷移第二項代表顆粒遷移過程的總能量包括顆粒重力遷移作功。通過遷移過程懸浮雜質顆粒到達砂粒表面后通過粘附作用在濾料中沉積下來。
3.2 粘附作用 涂鋁砂表面是勃姆石γ-AlOOH和三羥鋁石AlOH32。勃姆石的化學成分中Al2O3占84.98三羥鋁石65.4的成分也是Al2O3。由于涂鋁砂表面的化學成分主要是氧化鋁即在石英砂表面覆蓋了一層氧化鋁故稱為氧化鋁涂層石英砂。 表面的ζ電位是反映顆粒表面雙電層的擴散層結構變化的重要特征參數。單個顆粒去除效率公式3為 ηRα×η 式中 ηR--顆粒去除效率 α--接觸效率因子與化學特性有關 η--僅與孔隙中顆粒物理特性有關的遷移效率 接觸效率因子α又稱粘附效率因子取決于顆粒的ζ電位當顆粒間或顆粒與濾料之間的ζ電位相差大甚至反號時其雙電層作用力為引力即遷移到一起的顆粒都將發生粘附作用此時α1而相差小或同號時0≤α≤1將不利于粘附作用發生。 由于涂鋁砂的大小和密度不均其ζ電位不能直接測定只能用反映顆粒表面羥基化程度的重要特征參數pHpzc等電點的pH值間接表示濾料顆粒表面的電荷密度σ0被認為與零電荷點有關。 式中 F--法拉第常數 ΓH和ΓOH-分別為H和OH-離子的分析表面超量或表面過剩即在單位面積的表面層中所含溶質物質的量與具有相同數量的溶劑的本體溶液中所含溶質物質的量之差。 pHpzc表示顆粒表面零電荷時即表面質子平衡為零時的pH。石英砂濾料表面的pHpzc范圍為0.72.2而涂鋁砂則將原砂的pHpzc提高到7.59.54。如果過濾原水pHpHpzc則涂鋁砂的氫氧化物表面發生酸性離解導致表面帶負電荷當原水pH值。
具體的分析實驗方法:
1 濾料、原水和實驗方法
1.1 濾料及試劑 篩選水廠過濾用的石英砂粒徑0.51.2 mm其化學成分SiO2占90以上。采用AR級的AlCl3·6H2O、NaOH和HCl試劑對石英砂進行改性處理。
1.2 “涂鋁砂”的制備 采用0.1 mol/L的HCl溶液對石英砂表面進行預處理浸泡24 h后用蒸餾水沖洗干凈然后在110 ℃烘箱中烘干。配制1 mol/L的AlCl3·6H2O溶液250 mL用NaOH溶液調整pH以使形成氧化鋁懸浮液。在氧化鋁懸浮液中加入500 g砂分裝于兩個三角燒杯中放于磁力加熱攪拌器在70 ℃條件下連續攪拌3 h然后置入110 ℃烘箱烘干。經烘干的氧化鋁涂層砂再用蒸餾水沖洗干凈在110 ℃烘箱中烘干后供使用。
1.3 原水 過濾原水取自盛夏的同濟大學校園內三好塢河水再加入等量的自來水濁度約20NTU。
1.4 實驗方法、測試項目與儀器 分別將涂鋁砂和石英砂裝入濾料高度為70cm的兩個濾柱中不投加任何混凝劑采用等水頭減速過濾進行微污染原水的直接過濾對比實驗。
測試項目與儀器測試項目測試儀器或方法濁度美國HACH公司2100P濁度儀紫外吸光度UV254上海分析儀器廠MC7550紫外分光光度計總有機碳TOC日本島津TOC-500分析儀耗氧量CODMn我國環保局標準方法
2 實驗結果與討論
2.1 濁度的去除效果 涂鋁砂和未涂層石英砂的直接過濾除濁效果見圖1。從圖1可知涂鋁砂除濁效果顯然比未涂層石英砂好。兩種不同濾料在相同進水水質情況下經60多 h過濾后進行沖洗沖洗后分別進行再過濾其處理效果見圖2。從圖2可知涂鋁砂的除濁效果仍然優于未涂層石英砂。
2.2 有機物的綜合去除效果 由于原水中含有種類繁多的微量有機污染物實驗中采用UV254、TOC和CODMn3種參數表示水中有機物含量變化。
圖3、4、5分別為涂鋁砂和未涂層砂濾后水中的UV254、TOC和CODMn隨過濾時間的變化。從圖中可見盡管天然河水水質變化很大但涂鋁砂在過濾過程中對UV254、TOC和CODMn的去除效果明顯優于未涂層砂。
圖6和圖7為經過60多h過濾及沖洗后涂鋁砂和未涂層砂濾后水中的UV254和TOC隨過濾時間的變化可以看出涂鋁砂對有機物的去除效果仍然優于未涂層砂。
     通過對石英砂氧化涂層的改性研究分析,我們可以更加直觀的了解石英砂在懸浮顆粒變化中時間上的差異以及涂料氯砂的大小和密度對于懸浮現象的影響!
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