水處理濾料的表面性質(zhì)及其過(guò)濾除油性能研究.pdf

1、水處理濾料的表面物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)深床過(guò)濾除油效果具有重要影響,近年來(lái)已受到國(guó)內(nèi)外研究者們的普遍關(guān)注。為了更深入地理解濾床中乳化油的捕集機(jī)理,便于濾料的選擇和濾床的設(shè)計(jì),本論文主要研究了核桃殼、無(wú)煙煤、磁鐵礦、錳砂、石英砂和沸石等常見(jiàn)硬質(zhì)粒狀水處理濾料的表面結(jié)構(gòu)、潤(rùn)濕性、自由能成分和Zeta電位等表面性質(zhì),同時(shí)考察了模擬含油廢水的深床過(guò)濾性能。
　　(1)采用掃描電子顯微鏡(SEM)、比表面積分析儀(BET)、X射線能量色散譜儀(ED

2、S)、電子能譜儀(XPS)和紅外光譜儀(FTIR)等技術(shù)對(duì)水處理濾料的表面物理形態(tài)和化學(xué)組成進(jìn)行了表征。SEM結(jié)果顯示,6種濾料樣品的外觀形狀都極不規(guī)則且局部有菱角,其中核桃殼和無(wú)煙煤表面排列較有規(guī)則,呈現(xiàn)各向同性的特征;磁鐵礦表面分布有晶粒和晶片,排列不規(guī)則,各向異性明顯;錳砂、石英砂和沸石表面排列不規(guī)則,呈各向異性特征,其中沸石表面孔隙率和比表面積較大。EDS、XPS和FTIR分析結(jié)果表明,核桃殼和無(wú)煙煤表面主要是由C、H和O元素形

3、成的有機(jī)官能團(tuán),呈現(xiàn)非極性特征,表面能較低;磁鐵礦表面主要為Fe3O4物相,存在剩余鍵力,表面能較高,極性較強(qiáng);錳砂表面主要是MnO2和Mn2O3,此外有Si-O鍵存在,有一定的極性特征;石英砂表面主要是SiO2,極性較強(qiáng);沸石表面主要為Ca、Si和Al形成的多價(jià)態(tài)氧橋聯(lián)接配合物,因此極性較強(qiáng)。
　　(2)根據(jù)潤(rùn)濕基本理論和水處理濾料的結(jié)構(gòu)特征,本論文首次提出了親油親水比(LHR)的概念,并與Washburn重量方程相結(jié)合,得出如

4、下關(guān)系并用于水處理濾料表面潤(rùn)濕性的實(shí)驗(yàn)研究:
　　實(shí)驗(yàn)測(cè)得20℃時(shí)0.45~0.9mm核桃殼、無(wú)煙煤、磁鐵礦、錳砂、石英砂和沸石的LHR值依次為76.4、2.41、1.06、0.74、0.65和0.64,表明核桃殼和無(wú)煙煤親油,錳砂、石英砂和沸石親水,而磁鐵礦既親油又親水。這與濾料表面物理形態(tài)和化學(xué)組成的表征結(jié)果一致,即:核桃殼和無(wú)煙煤表面呈現(xiàn)非極性特征且表面能較低,對(duì)表面張力小、非極性的油相(環(huán)己烷)潤(rùn)濕性好;磁鐵礦表面能較高,

5、對(duì)表面張力小的油相和表面張力大的水相均能較好潤(rùn)濕;錳砂、石英砂和沸石表面極性較強(qiáng),為親水性表面,故對(duì)極性水相的潤(rùn)濕性好于油相。
　　從 van Oss-Chaudhury-Good(VCG)理論出發(fā),推導(dǎo)了表征水處理濾料潤(rùn)濕性的LHR參數(shù)與濾料表面自由能成分之間的關(guān)系,并將20℃時(shí)水和環(huán)己烷的物理參數(shù)代入可得:
　　該式從理論上表明水處理濾料 LHR的大小主要取決于其表面自由能酸性成分γs+和堿性成分γs-。同時(shí),本論文基于

6、Washburn方程和VCG理論,以正己烷、1-溴奈、甲酰胺和水為探針液,用多孔介質(zhì)毛細(xì)滲透技術(shù)測(cè)得核桃殼、無(wú)煙煤、錳砂、石英砂和沸石濾料的表面自由能非極性成分γsLW依次為38.8mJ?m-2、38.8mJ?m-2、38.1mJ?m-2、37.7mJ?m-2和38.2mJ?m-2,而極性成分γsAB為0.37mJ?m-2、0.73mJ?m-2、6.79mJ?m-2、8.66mJ?m-2和9.42mJ?m-2,從而驗(yàn)證了水處理濾料潤(rùn)濕性

7、的差異主要?dú)w因于其表面自由能極性成分(γs+和γs-),而后者在本質(zhì)上主要取決于其表面化學(xué)組成,與水處理濾料表征結(jié)果基本吻合。
　　(3)以Helmholtz-Smoluchowski方程為依據(jù),用自制裝置測(cè)得核桃殼、無(wú)煙煤、磁鐵礦、錳砂、石英砂、沸石濾料在蒸餾水和0.1mol?L-1 KCl流體介質(zhì)中的Zeta電位分別為-17mV、-17mV、-11mV、-34mV、-64mV、-11mV和-5.1mV、-4.2mV、-1.4m

8、V、-0.11mV、-0.19mV、-0.15mV。在蒸餾水中測(cè)得的濾料表面 Zeta電位絕對(duì)值均大于在0.1mol?L-1 KCl溶液中的測(cè)定值,說(shuō)明電解質(zhì)溶液的濃度較大時(shí),對(duì)濾料表面Zeta電位的測(cè)定值影響明顯。
　　(4)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬的含油廢水過(guò)濾系統(tǒng),比較了幾種水處理濾料的除油效果和反沖洗效果。在過(guò)濾10h的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi),核桃殼、無(wú)煙煤、磁鐵礦、錳砂、石英砂和沸石的除油效率η分別為96％、80%、72%、64%、60%和7

9、8%,反沖洗效率ηr依次為16%、30%、37%、73%、83%和69%。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,即可得到水處理濾料的親油親水比與深床過(guò)濾除油效果和反沖洗效果之間的定量關(guān)系:
　　(5)運(yùn)用XDLVO理論,求得過(guò)濾過(guò)程中核桃殼、無(wú)煙煤、錳砂、石英砂和沸石濾料顆粒與油/水所形成的體系間的界面靜電作用能增量?G132EL≈0;Lifshitz-van der Waals作用能增量?G132LW依次為-7.52×10-20J、-7.52×1

10、0-20J、-7.25×10-20J、-7.09×10-20J和-7.29×10-20J;Lewis酸堿作用增量?G132AB分別為-4.31×10-18J、-3.99×10-18J、-3.39×10-18J、-2.93×10-18J和-2.87×10-18J;總界面能增量?G132TOT分別為-4.38×10-18J、-4.07×10-18J、-3.46×10-18J、-2.99×10-18J和-2.94×10-18J。5種濾料介質(zhì)和