氧化鋁涂層改性石英砂過濾性能研究

摘 要：低濁或低溫低濁的微污染原水在常規(guī)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(fù)電性。采用這種氧化鋁涂層砂進(jìn)行直接過濾，可以有效地提高對(duì)濁度和有機(jī)物的去除效果。

低濁或低溫低濁的微污染原水在常規(guī)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(fù)電性。采用這種氧化鋁涂層砂進(jìn)行直接過濾，可以有效地提高對(duì)濁度和有機(jī)物的去除效果。

1 濾料、原水和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 濾料及試劑

篩選水廠過濾用的石英砂，粒徑0.5～1.2 mm，其化學(xué)成分SiO2占90%以上。采用AR級(jí)的AlCl3·6H2O、NaOH和HCl試劑對(duì)石英砂進(jìn)行改性處理。

1.2 “涂鋁砂”的制備

采用0.1 mol/L的HCl溶液對(duì)石英砂表面進(jìn)行預(yù)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(diào)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(gè)三角燒杯中，放于磁力加熱攪拌器，在70 ℃條件下連續(xù)攪拌3 h，然后置入110 ℃烘箱烘干。經(jīng)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(jì)大學(xué)校園內(nèi)三好塢河水，再加入等量的自來水，濁度約20NTU。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法、測(cè)試項(xiàng)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(gè)濾柱中，不投加任何混凝劑，采用等水頭減速過濾進(jìn)行微污染原水的直接過濾對(duì)比實(shí)驗(yàn)。測(cè)試項(xiàng)目與儀器見表1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jìn)水水質(zhì)情況下經(jīng)60多 h過濾后進(jìn)行沖洗，沖洗后分別進(jìn)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(yōu)于未涂層石英砂。

2.2 有機(jī)物的綜合去除效果

由于原水中含有種類繁多的微量有機(jī)污染物，實(shí)驗(yàn)中采用UV254、TOC和CODMn3種參數(shù)表示水中有機(jī)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(shí)間的變化。從圖中可見，盡管天然河水水質(zhì)變化很大，但涂鋁砂在過濾過程中，對(duì)UV254、TOC和CODMn的去除效果明顯優(yōu)于未涂層砂。

圖6和圖7為經(jīng)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(shí)間的變化，可以看出，涂鋁砂對(duì)有機(jī)物的去除效果仍然優(yōu)于未涂層砂。

3 機(jī)理分析

3.1 粘附作用

涂鋁砂表面是勃姆石(γ-AlOOH)和三羥鋁石［Al(OH)3］。勃姆石的化學(xué)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(xué)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(kuò)散層結(jié)構(gòu)變化的重要特征參數(shù)。單個(gè)顆粒去除效率公式為：

ηR=α×η(2)

式中　

ηR--顆粒去除效率

α--接觸效率因子(與化學(xué)特性有關(guān))

η--僅與孔隙中顆粒物理特性有關(guān)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(dāng)顆粒間或顆粒與濾料之間的ζ電位相差較大，甚至反號(hào)時(shí)，其雙電層作用力為引力，即遷移到一起的顆粒都將發(fā)生粘附作用，此時(shí)α=1，而相差較小或同號(hào)時(shí)，0≤α≤1，將不利于粘附作用發(fā)生。由于涂鋁砂的大小和密度不均，其ζ電位不能直接測(cè)定，只能用反映顆粒表面羥基化程度的重要特征參數(shù)pHpzc(等電點(diǎn)的pH值)間接表示，濾料顆粒表面的電荷密度σ0被認(rèn)為與零電荷點(diǎn)有關(guān)。

式中 F--法拉第常數(shù)
　
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(zhì)物質(zhì)的量與具有相同數(shù)量的溶劑的本體溶液中所含溶質(zhì)物質(zhì)的量之差。
pHpzc表示顆粒表面零電荷時(shí)，即表面質(zhì)子平衡為零 時(shí)的pH。石英砂濾料表面的pHpzc范圍為0.7～2.2，而涂鋁砂則將原砂的pHpzc提高到7.5～9.5。如果過濾原水pH>pHpzc，則涂鋁砂的氫氧化物表面發(fā)生酸性離解，導(dǎo)致表面帶負(fù)電荷；當(dāng)原水pHpzc，涂鋁砂的氫氧化物表面發(fā)生堿性離解，帶正電荷。過濾中，原水pH一般為中性，即pH

4 結(jié)論

① 石英砂表面涂以氧化鋁，改變了其原有性質(zhì)，使之在零電荷時(shí)的pH值由0.7～2.2提高到7.5～9.5。在中性pH條件下，石英砂表面的電荷由負(fù)變?yōu)檎?，明顯有利于帶有負(fù)電荷的天然雜質(zhì)顆粒的去除和過濾過程中粘附作用的增強(qiáng)。

② 濁度為20 NTU左右的微污染原水，可用氧化鋁涂層砂直接過濾，不需投加任何混凝劑。原水中的懸浮雜質(zhì)和微量溶解性有機(jī)物可同時(shí)被不同程度地去除。實(shí)驗(yàn)證明，涂鋁砂的除濁和去除有機(jī)物的效果顯著優(yōu)于未涂層砂。

③ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，經(jīng)10 h過濾，涂鋁砂濾后水比未涂層砂出水濁度平均低45%。過濾34 h后，前者比后者低31%。過濾69 h后總平均低25%。同時(shí)，經(jīng)10 h過濾，涂鋁砂濾后水比未涂層砂出水UV254平均低14.8%；TOC低18.6%；CODMn低26.7%。過濾34 h后，涂鋁砂的出水UV254比未涂層砂平均低8.6%；TOC低10.2%；CODMn低22.7%。過濾69 h后，涂鋁砂的出水UV254比未涂層砂平均低8.0%；TOC低11.2%；CODMn低19.2%。
　
④ 實(shí)驗(yàn)證明，有關(guān)技術(shù)人員設(shè)法改變傳統(tǒng)濾砂的特性，進(jìn)而去探索、發(fā)現(xiàn)能夠取代傳統(tǒng)濾料的材料或方法，值得引起重視。

⑤ 處理水量大時(shí)，氧化鋁涂層砂制備工作量大，制備方法有待于改進(jìn)、摸索與提高，以便產(chǎn)生更高效率的改性濾料。

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