隨著沿海地區(qū)的發(fā)展及淡水資源的匱乏，海水利用技術(shù)已成為緩解我國沿海地區(qū)和海島水資源短缺、保障水資源可持續(xù)利用的必由之路。過濾是海水預(yù)處理過程中的重要工序，濾料是影響過濾效果的重要因素之一。海水過濾中常用的濾料為石英砂，其具有耐酸堿、耐磨、耐熱等性能。但是，傳統(tǒng)濾料表面帶負電、比表面積小、表面吸附容量低，對海水中污染物的去除效果不是很理想。  

改性濾料是指在載體濾料的表面通過化學(xué)反應(yīng)附著不同功能的改性劑，從而改變原濾料顆粒表面物理化學(xué)性質(zhì)，制成具有優(yōu)良吸附性能和一定機械強度的改性濾料，以提高濾料的截污能力及對某些特殊物質(zhì)的吸附能力，改善出水水質(zhì)。改性濾料對水中的重金屬離子、有機物、細菌和病毒等物質(zhì)均有明顯的去除效果。目前，改性濾料在海水預(yù)處理工藝中的應(yīng)用還鮮見報道。本研究以石英砂為載體，制備出6種改性砂，考察其對海水中濁度、有機物、氨氮、總磷的去除效果，為改性濾料在海水預(yù)處理工藝中的應(yīng)用提供參考。  

1材料與方法  

1.1改性砂的制備方法  

1.1.1石英砂的預(yù)處理  

采用篩分儀篩選出粒徑0.6~1.0mm的石英砂，用蒸餾水清洗干凈，置于105℃烘箱中烘干；在1mol/L的HCl中浸泡48h，浸泡過程采用磁力攪拌器攪拌，以增加吸附表面積；浸泡完成后重復(fù)上述洗凈、烘干過程，冷卻至常溫放入封閉容器，待用。  

1.1.2改性砂的制備  

分別將氯化鋁、硝酸鐵、氯化錳、硝酸鎂配制成1mol/L的溶液，各取250mL，加入一定量2.5mol/L的NaOH溶液，使之成為懸濁液。在4種懸濁液中分別加入400g經(jīng)預(yù)處理的石英砂，于70℃攪拌浸泡24h，然后于105℃烘干，最后用蒸餾水洗凈烘干，即為鋁改性砂、鐵改性砂、錳改性砂、鎂改性砂。  

在石英砂表面涂鋁涂層和錳涂層的基礎(chǔ)上，再分別涂上硝酸鐵和硝酸鎂改性劑，即為鋁鐵改性砂和錳鎂改性砂。  

1.2試驗方法  

分別稱取原砂和6種改性砂各40g放入含200mL待處理海水的錐形瓶中，用封口膜封口。置于恒溫振蕩器中，在溫度25℃、轉(zhuǎn)速130r/min條件下振蕩72h，取上清液，經(jīng)定量濾紙過濾，考察改性濾料對TOC、UV254、濁度、氨氮、磷酸鹽的去除效果。  

2試驗水樣及分析方法  

2.1試驗水樣  

試驗水樣為天津塘沽近岸海水，加入適量NH4Cl和NaH2PO4用以調(diào)節(jié)試驗用水的氨氮和磷酸鹽含量，配制海水水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。  

表1試驗用海水水質(zhì)  

2.2分析方法、儀器  

表面形貌：FEIQuanta-200型環(huán)境掃描電子顯微鏡（SEM）；TOC：AnalytikjenamultiN/C3100型總有機碳/總氮分析儀；UV254：HACHDR5000型分光光度計；濁度：HACH2100P型濁度儀；氨氮：納氏試劑比色法；磷酸鹽：鉬銻抗分光光度法。  

3試驗結(jié)果與分析  

3.1改性砂的形貌  

通過環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察石英砂與改性砂的表面形貌，可以看出，石英砂表面平滑，有少量的凹槽，比表面積小。改性砂表面形成堆積物，呈凹凸不平的多孔結(jié)構(gòu)，并且完全被改性劑覆蓋，這種表面形貌的變化造成了比表面積和吸附性能的差異，使得改性砂更容易吸附水體中的物質(zhì)。  

3.2改性砂對TOC的吸附效果  

圖1為石英砂與改性砂對海水中TOC的去除效果，橫坐標(biāo)中的1、2、3、4、5、6、7分別代表石英砂、鋁改性砂、鐵改性砂、鋁鐵改性砂、錳改性砂、鎂改性砂及錳鎂改性砂。

圖1  7種砂對TOC的去除效果  

石英砂TOC的去除率為2.2%，改性砂對TOC的去除率提高了10%以上，其中鋁改性砂、鐵改性砂、錳改性砂及錳鎂改性砂對TOC的去除效果較好，去除率分別為17.9%、19.3%、19.3%、16.8%。  

3.3改性砂對UV254的吸附效果  

對比了石英砂與改性砂對海水中UV254的去除效果。結(jié)果顯示，原海水的UV254為0.060cm-1，與石英砂相比，經(jīng)改性砂吸附后的UV254去除率略有提高，鋁鐵改性砂、鎂改性砂及錳鎂改性砂的去除率均為28.3%，比石英砂增加了5%左右。UV254反映了水中腐殖質(zhì)、含有芳香烴和共軛雙鍵的有機物，改性砂的比表面積增大，有機物吸附在表面的金屬氧化物涂層及凹凸不平的孔隙中，因此吸附能力有所增強。  

3.4改性砂對濁度的去除效果  

圖2為石英砂與改性砂對海水中濁度的去除效果。  

圖2  7種砂對濁度的去除效果  

由圖2可以看出，鋁改性砂、錳改性砂、鎂改性砂、錳鎂改性砂對濁度的去除率在60%以上，剩余濁度在2.0NTU以下；鐵改性砂、鋁鐵改性砂對濁度的去除效果較差，剩余濁度分別為3.56、3.27NTU。海水中的懸浮顆粒大多帶負電荷，石英砂表面也帶負電荷，兩者存在靜電斥力，懸浮顆粒難以被吸附在石英砂表面，因此未經(jīng)改性的石英砂對濁度不能達到理想的處理效果。經(jīng)改性后，鋁改性砂、錳改性砂、鎂改性砂、錳鎂改性砂表面帶正電荷，對懸浮顆粒有較強的吸附作用，因此對濁度有較高的去除率。鐵改性砂、鋁鐵改性砂雖然表面也帶負電荷，但對濁度的去除效果較差，主要是含鐵成分的改性劑在機械振動條件下易脫落、溶解，穩(wěn)定性較差，同時增加了海水中的色度。  

3.5改性砂對氨氮的去除效果  

圖 3為石英砂與改性砂對海水中氨氮的去除效果。  

圖3  7種砂對氨氮的去除效果  

由圖3可以看出，石英砂對氨氮的去除率為15.3%，改性砂對氨氮的去除率均有所提高，其中鐵改性砂和錳鎂改性砂對氨氮的去除效果最好，去除率分別為27.1%和25.5%，比石英砂提高了10%左右。改性砂具有較大的比表面積和很強的離子交換能力，對水中銨離子有較大的吸附交換容量。  

3.6改性砂對磷的去除效果  

圖4 為石英砂與改性砂對海水中總磷的去除效果。  

圖4 7種砂對總磷的去除效果  

由圖4可以看出，鐵改性砂、鋁鐵改性砂對總磷具有較好的去除效果，去除率分別為80.9%、79.7%，吸附后海水中總磷質(zhì)量濃度低于0.2mg/L；鋁改性砂、錳改性砂、鎂改性砂、錳鎂改性砂對總磷的去除率有所降低，分別為51.2%、41.6%、44.4%、40.6%；在相同的條件下，上述6種濾料對總磷的去除率從大到小依次為鋁鐵改性砂、鐵改性砂、鋁改性砂、鎂改性砂、錳改性砂、錳鎂改性砂。海水中的磷主要包括顆粒態(tài)和溶解態(tài)，未經(jīng)改性的石英砂在過濾工藝中只能通過截留與黏附作用去除顆粒態(tài)的磷，經(jīng)改性后石英砂更具備了吸附作用，對磷有較強的吸附作用，表面涂層能吸附去除海水中的溶解態(tài)磷酸根離子，在截留、黏附與吸附的共同作用下，改性砂對磷有較好的去除效果。

4結(jié)論  

經(jīng)改性后的石英砂，表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生了較大改變，凹凸不平的多孔結(jié)構(gòu)和表面帶的正電荷能提高對海水中帶負電荷顆粒物質(zhì)的物理、化學(xué)吸附能力和攔截過濾效果；改性砂對海水中濁度、TOC、UV254、氨氮、總磷的去除效果均優(yōu)于石英砂，經(jīng)吸附振蕩72h后，其最高去除率分別為79.5%、19.3%、28.3%、27.1%、95.7%；改性砂增強了濾料的吸附能力，不僅擴大了改性濾料的應(yīng)用范圍，而且拓寬了海水凈化工藝的思路，具有一定的研究價值。

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