水處理濾料的表面性質(zhì)及其過濾除油性能研究.pdf

1、水處理濾料的表面物理化學(xué)性質(zhì)對深床過濾除油效果具有重要影響,近年來已受到國內(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、無煙煤、磁鐵礦、錳砂、石英砂和沸石等常見硬質(zhì)粒狀水處理濾料的表面結(jié)構(gòu)、潤濕性、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濕性的實(shí)驗(yàn)研究:
　　實(shí)驗(yàn)測得20℃時(shí)0.45~0.9mm核桃殼、無煙煤、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:核桃殼和無煙煤表面呈現(xiàn)非極性特征且表面能較低,對表面張力小、非極性的油相(環(huán)己烷)潤濕性好;磁鐵礦表面能較高,

5、對表面張力小的油相和表面張力大的水相均能較好潤濕;錳砂、石英砂和沸石表面極性較強(qiáng),為親水性表面,故對極性水相的潤濕性好于油相。
　　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)測得核桃殼、無煙煤、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),用自制裝置測得核桃殼、無煙煤、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。在蒸餾水中測得的濾料表面 Zeta電位絕對值均大于在0.1mol?L-1 KCl溶液中的測定值,說明電解質(zhì)溶液的濃度較大時(shí),對濾料表面Zeta電位的測定值影響明顯。
　　(4)通過實(shí)驗(yàn)室模擬的含油廢水過濾系統(tǒng),比較了幾種水處理濾料的除油效果和反沖洗效果。在過濾10h的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi),核桃殼、無煙煤、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,求得過濾過程中核桃殼、無煙煤、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