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水處理用改性石英砂過(guò)濾材料的原理是什么呢?

發(fā)布時(shí)間:2020-10-30 來(lái)源:天然石英砂廠(chǎng)家 瀏覽次數:

         水處理用改性石英砂過(guò)濾材料的原理是什么呢?介紹了強化過(guò)濾工藝中所使用的改性濾料,對其定義、載體、改良劑、制備及表征技術(shù)作了系統的綜述。與普通濾料相比,改性濾料具有一系列優(yōu)良性能。以此為基礎,對改性濾料處理水中重金屬離子、砷、硒、氟、有機物、微生物、藻類(lèi)等污染物的工藝進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。
水處理用改性石英砂過(guò)濾材料。
         伴隨著(zhù)我國工業(yè)的發(fā)展,人口的增長(cháng),環(huán)境污染,尤其是水源地的污染,對城市居民的身體健康造成了極大的威脅。調查顯示,被污染水源中所含的大多數有機物對人體健康有害,或者可能形成對人體有“三致作用”的氯消毒副產(chǎn)物(DBPs)。但傳統的水處理工藝由于凈化功能的限制,對水中有機物、重金屬離子、藻類(lèi)等的去除能力較低,特別是對水溶性低分子有機物的去除能力較差。由于水環(huán)境污染的加劇和人們生活水平的不斷提高,人們對飲用水的質(zhì)量要求越來(lái)越高,相應的供水水質(zhì)標準也越來(lái)越高。污水的凈化與處理已成為一個(gè)十分重要而緊迫的新課題。
         它是一種廣泛應用于給水處理、污水處理和環(huán)境保護等領(lǐng)域的凈水材料。但由于石英砂過(guò)濾材料表面孔隙率低,比表面積小,等電點(diǎn)低,在正常條件下帶入負電性,使其對水中有毒物質(zhì)(重金屬離子等)、細菌、病毒和有機物等的去除效果差。近幾年來(lái),研究人員提出了對普通石英砂濾料進(jìn)行改性的想法,通過(guò)在石英砂表面粘附不同功能物質(zhì),改善濾料表面性能,制成吸附性能好、機械強度高的改性濾料?紤]到我國目前的經(jīng)濟水平,該技術(shù)在給水處理領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

         過(guò)濾材料的改進(jìn)。所謂改性濾料,就是在普通石英砂濾料表面通過(guò)化學(xué)反應涂覆一層改性劑(通常是金屬氧化物和氫氧化物),從而改變原濾料顆粒表面的物理化學(xué)性質(zhì),以增加濾料對某些特殊物質(zhì)的吸附能力,增強其截污能力,達到改善出水水質(zhì)的目的。通過(guò)試驗證明,改性濾料能充分發(fā)揮增大濾料比表面和強化吸附的能力,從而實(shí)現在與水中各種有機物、細菌、藻類(lèi)接觸的過(guò)程中,表面涂料產(chǎn)生的強化吸附和氧化凈化作用。它不僅能吸附大分子物質(zhì)和膠體有機物,而且能對水中的重金屬離子和小分子可溶性有機物進(jìn)行大量吸附和氧化,達到全面改善水質(zhì)的目的。
         吸附劑。適宜作濾料吸附劑的材料有很多,常用的有Fe系、Al系氧化物或氫氧化物、錳系氧化物、鎂系氧化物和稀土類(lèi)金屬化合物等。在吸附劑中,Fe系和Al系的水合氧化物、氫氧化物應用廣泛;罨V比表面積大,孔隙多,吸附能力強,是一種優(yōu)良的吸附材料。其中,稀土金屬配合物是一種新型材料,它能改善傳統濾料的表面結構,提高其吸附位置,對水中的重金屬離子和部分無(wú)機離子等雜質(zhì)具有良好的去除效果。但是,稀土類(lèi)金屬化合物作為吸附劑與載體結合不好,在一定程度上限制了其廣泛應用。另外,將含有多種特殊基團的聚合物有機化合物涂覆于濾料表面或與金屬氧化物結合,通過(guò)官能團的作用改善濾料的吸附性能也是目前研究的方向。
改性過(guò)濾材料在水處理工藝中的應用。
         改性濾料可去除水中的重金屬離子。金屬氧化物對Zn2+的吸附實(shí)驗表明,在氧化鋁涂層砂改性濾料除鋅實(shí)驗中,去除率與pH值有密切關(guān)系:當出水pH值小于4時(shí),鋁砂比石英砂更有效;大于4時(shí),隨著(zhù)pH值的增大,對鋅的去除率提高;大于9點(diǎn)時(shí),對鋅的去除率達到100%。
采用鐵氧體覆蓋砂粒柱進(jìn)行吸附Pb2+,Cd2+,Cu2+,Cr2+和Cr2+的實(shí)驗研究,結果表明:在pH為40倍濾床體積的情況下,溶解態(tài)重金屬離子Pb2+,Cd2+,Cd2+,Cu2+和Cr2+幾乎都能被去除,一般情況下,絡(luò )合態(tài)重金屬離子的去除率較低,而鐵氧體覆蓋砂粒柱在濾床體積為40倍的情況下,幾乎能被去除。對于顆粒狀重金屬物質(zhì),在高水力負荷條件下,一般砂粒柱和改性砂粒柱對顆粒均有70%的去除率,但這種去除率在改性砂粒柱中持久實(shí)現,在普通砂料中可迅速降至25%;與普通砂粒柱相比,改性砂粒柱還可增加濾層運行時(shí)間,降低沖洗頻率;在沖洗過(guò)程中,先用水反洗,然后用酸性溶液進(jìn)行再生(pH值為3)。
         改性濾料可去除水中陰離子型有害物質(zhì)。改性濾料在水中去除砷。砷屬有毒物質(zhì),一些地表水由于受到農藥、固體廢物和工業(yè)廢水的污染而含有砷,另一些地下水由于在高砷地層中被砷污染。無(wú)機砷的毒性大于有機砷,三價(jià)砷的毒性大于五價(jià)砷,世界衛生組織規定飲用水中三價(jià)砷的含量不超過(guò)0.01毫克/升。
         通過(guò)對氧化鐵砂改性濾料進(jìn)行除砷試驗,發(fā)現除砷效果明顯,脫砷率可達95%以上,并符合低pH值、高脫砷的規律。研究結果表明,在一定的pH值和吸附劑濃度范圍內,以氫氧化鐵改性砂吸附水中As2+和As2+,可使砷的脫除效率達到92%。通過(guò)改良的過(guò)濾介質(zhì)去除水中的硒。
SeO2-3和SeO2-4是水中硒的主要形式,過(guò)量的硒對人體有害。研究發(fā)現,覆蓋氧化鋁(AOCS)的砂能有效去除水中的硒(ⅳ)和硒(ⅵ)。AOCS對硒的吸附受制備過(guò)程中酸堿度的影響。研究發(fā)現,當pH值為5.98時(shí),AOCS對四價(jià)硒和六價(jià)硒的去除率分別為1.05和0.63。硒(ⅳ)和硒(ⅵ)的吸附等溫線(xiàn)參數與吸附過(guò)程中溶液的酸堿度有關(guān)。在一定的酸堿度范圍內,大吸附量隨著(zhù)酸堿度的增加而降低。在合適的酸堿度、吸附量和吸附時(shí)間條件下,硒的去除率可接近100%。
         通過(guò)改進(jìn)的過(guò)濾介質(zhì)去除水中的氟。在氧化鐵覆膜砂改性濾料除氟實(shí)驗中,發(fā)現在低pH值(pH值小于5.0)條件下除氟率可達90%以上,但隨著(zhù)水pH值的增加,除氟率降低;除氟吸附等溫線(xiàn)屬于典型的朗繆爾型。
3.3通過(guò)改良的過(guò)濾介質(zhì)去除水中的有機物。
         利用氧化鐵覆膜砂去除有機物,發(fā)現氧化鐵覆膜砂在酸性條件下能有效吸附天然有機物(NOM)。水中有Ca2+、Mg2+、CI、SeO2-4和HCO3-離子,即使濃度很高,對NOM的吸附能力也沒(méi)有影響。比較了三種氧化物覆膜砂和未覆膜砂對有機物的去除性能。實(shí)驗結果表明,高溫制備的鋁覆膜砂和鐵覆膜砂對NOM的去除效果優(yōu)于堿沉淀法制備的鐵覆膜砂,三種覆膜砂均優(yōu)于未覆膜砂。反洗后三種不同覆膜砂的效果與反洗前沒(méi)有區別。
         對四種不同改性濾料對水中有機物的去除效果進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗。結果表明,改性濾料對有機物的去除效果始終優(yōu)于原濾料,包覆鐵砂對有機物的去除率達到66%。通過(guò)用氫氧化鐵和氫氧化鋁覆蓋沙子來(lái)改性過(guò)濾材料。將lkg改性濾料放入柱(體積0.7L)中,水中大腸桿菌、霍亂弧菌、脊髓灰質(zhì)炎病毒1型和大腸桿菌MS-2的去除率均在99%以上。將120升的水處理30天后,去除效果得以保持。通過(guò)192L水后,大腸桿菌、大腸桿菌MS-2、脊髓灰質(zhì)炎病毒1的去除率仍為80%、99.9%、90%。此外,改性后的濾料還可以去除原水中的腸道細菌和大腸桿菌。室溫下,被測微生物(如腸桿菌、大腸桿菌MS-2、大腸桿菌)的去除率均在99%以上;而普通沙子對微生物的去除作用不大。此外,在流出物中沒(méi)有檢測到與蓋子相關(guān)的成分,表明蓋子非常穩定。
         石英砂表面覆蓋有氫氧化鋁、氫氧化鐵、石灰和δ-二氧化錳。結果表明,當酸堿度在6.3范圍內時(shí),脊髓灰質(zhì)炎病毒1號的吸附效果良好。采用以氫氧化鋁覆膜砂為過(guò)濾介質(zhì)的吸附柱(體積0.0063升)去除脊髓灰質(zhì)炎病毒。通過(guò)0.2L水時(shí),病毒去除率為98.9%。當處理0.5L水時(shí),病毒去除率為93.97%。用氫氧化鋁和氫氧化鐵改性的石英砂濾料去除水中的病毒。實(shí)驗表明,當pH值為7時(shí),脊髓灰質(zhì)炎病毒1型的去除率為86.1%,大腸桿菌MS-2的去除率為100%。
         改性濾料可以消除其他污染物。研究了改性濾料對痕量苯酚的去除。研究發(fā)現,隨著(zhù)pH值的降低,改性濾料對苯酚的吸附效率逐漸提高,但去除率不高,說(shuō)明改性濾料表面對苯酚的吸附遵循配位交換吸附機理,并且預先加入高錳酸鉀可以明顯增強改性濾料對苯酚的去除效果。
對改性濾料除藻進(jìn)行了研究。研究發(fā)現,雖然改性砂對含藻水的直接過(guò)濾效果略好于石英砂,但經(jīng)過(guò)混凝沉淀后,改性砂對含藻水的過(guò)濾效果明顯優(yōu)于石英砂,尤其是過(guò)濾滯留量遠遠大于普通石英砂。還發(fā)現含藻水經(jīng)過(guò)混凝沉淀后殘留的鋁能夠促進(jìn)藻類(lèi)顆粒的去除。
         存在的問(wèn)題。         (1)過(guò)濾過(guò)程中濾料長(cháng)時(shí)間浸泡在水中。如何保證改性濾料的穩定性,即金屬氧化物/氫氧化物與濾料表面的強粘附性,是研究和實(shí)際應用中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。目前國外通常采用高溫煅燒的方法在石英砂表面燒結鐵或氧化錳,通過(guò)氧化鐵在水中形成豐富的表面羥基來(lái)提高吸附能力。在今后的研究中,我們應該重點(diǎn)研究各種制備方法,特別是通過(guò)各種物質(zhì)的復合對普通過(guò)濾材料的改性。此外,借鑒納米制備技術(shù)也值得探索。
         (2)尋找合適的載體。國外已發(fā)現,用橄欖石代替普通石英砂制成的改性濾料的性能比用石英砂作為載體制成的濾料好得多。在國內,可以根據當地情況使用其他天然濾料代替石英砂,或者將改性后的砂與其他吸附載體燒結在一起(如硅藻土、火山灰等)。)以提高改性過(guò)濾材料的去除效果。
         (3)到目前為止,改性濾料去除的物質(zhì)不多,水中氨氮、苯酚等有害物質(zhì)的去除還有待研究。而且由于各個(gè)研究人員的生產(chǎn)方法不同,改性后的過(guò)濾介質(zhì)性能往往有很大差異。因此,如何找到一種有效的制備方法來(lái)工業(yè)化生產(chǎn)改性濾料,并形成獨立的產(chǎn)品,以促進(jìn)其在水處理中的廣泛應用,是一個(gè)具有重要意義的課題。
         前景。目前,國內外專(zhuān)家學(xué)者致力于研究改性濾料的制備方法和載體,以及在制備過(guò)程中如何拓寬改性濾料的吸附范圍,提高吸附效率,從而制備出性能更好的改性濾料。改性后的濾料能有效去除水中的重金屬離子、有機物、細菌病毒、藻類(lèi)、苯酚等有毒有害物質(zhì),非常適合我國水處理的現狀,因此在水處理方面將有廣闊的應用前景。


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