出　　自： 《中國(guó)給水排水》 1994年第2期第38頁(yè)
發(fā)表時(shí)間： ： 1994-2

孫明健(南京軍區(qū)空軍勘察設(shè)計(jì)所)；瞿立河(南京工程兵工程學(xué)院)；劉燦生(哈爾濱建筑工程學(xué)院)

　　過濾是水處理工藝中的重要環(huán)節(jié)，提高濾池的產(chǎn)水能力在舊水廠的挖潛改造中具有重要現(xiàn)實(shí)意義。濾料是影響濾池產(chǎn)水能力的重要因素，開發(fā)、利用新濾料，提高濾池產(chǎn)水能力是水處理技術(shù)發(fā)展方向之一。
　　鋼毛是用不銹鋼加工而成的纖維絲，它能夠產(chǎn)生高梯度的磁性介質(zhì)，在高梯度磁分離技術(shù)中被應(yīng)用。人們對(duì)鋼毛濾料的認(rèn)識(shí)和研究是從磁學(xué)的角度進(jìn)行的，但對(duì)鋼毛濾料本身的過濾作用和過濾機(jī)理的認(rèn)識(shí)、研究卻被忽略。

1 過濾作用

　　對(duì)不同含鐵原水，未經(jīng)混合、反應(yīng)直接通過鋼毛過濾器處理，出水含鐵量達(dá)到國(guó)家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(<0.3mgFe/L)，見表1 [1] 。
　　表1中濾速，比現(xiàn)有石英砂濾池除鐵濾速3～12m/h [2] 高得多。
　　對(duì)不同含鐵原水投加1.5mg PAM/L，經(jīng)混合、反應(yīng)直接通過鋼毛過濾器處理，出水含鐵量達(dá)到國(guó)家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。原水含鐵量<3mg/L和6mg/L，濾速分別為150m/h和111m/h，出水含鐵量均<0.2mg/L。

　　以上試驗(yàn)結(jié)果表明:鋼毛濾料本身有極強(qiáng)的過濾作用。

2 機(jī)械篩除作用

　　現(xiàn)代過濾理論認(rèn)為，濾料的機(jī)械篩除作用在過濾過程中不起主要作用 [3][4] 。以1 # 鋼毛為例，其尺寸為(30～60)×(10～20)μm 2 ，若其斷面為矩形，折算成圓形則等效直徑19.5～39.1μm，能通過鋼毛孔隙的最大粒徑為3～6μm，比通過一般濾池濾料孔隙顆粒的最大粒徑45μm [3][4] 要小得多。事實(shí)上，鋼毛形狀并不是規(guī)則的矩形，粗細(xì)不均孔隙尺寸將更小，能通過的最大顆粒粒徑也更小。因此，鋼毛濾料比一般濾料的機(jī)械篩除作用強(qiáng)得多，僅機(jī)械篩除作用就能去除進(jìn)入濾池水中的大部分顆粒雜質(zhì)。

在實(shí)際濾池的過濾過程中，不僅有機(jī)械篩除作用，還有吸附作用、靜電作用、范德華引力作用等，濾池能去除的最小顆粒粒度 [3]、[4] 比計(jì)算值小得多。
砂濾去除的最小粒度，小于鋼毛濾料機(jī)械篩除能去除的最小粒度，鋼毛濾料怎樣去除3μm以下的顆粒，現(xiàn)作討論。

3 吸除作用

　　現(xiàn)代過濾理論認(rèn)為，濾池能夠去除比機(jī)械篩除作用更小的顆粒，是由于懸浮顆粒的沉降作用、靜電作用、范德華引力作用、水合作用、吸附作用等綜合作用的結(jié)果。鋼毛過濾器同樣有上述作用，其中吸附作用顯得尤其突出。
　　吸附能力的大小不僅與材料而且與其表面積也有關(guān)，即使是同種材料表面積不同，單位體積的表面能亦不相同，吸附能力也大不相同 [5、6] 。
以1cm 3 水的分割為例，每次分割后使邊長(zhǎng)減半。分割得越細(xì)，則總表面積越大，表面能也就越高 [5] 。比如分割到邊長(zhǎng)為0.001μm時(shí)，總表面積已達(dá)6000m 2 ，單位體積的表面能為160J。如此大的表面能，必然對(duì)物質(zhì)的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。
　　鋼毛纖維十分微小，吸附作用顯得特別重要。1 # 鋼毛的等效直徑為19.5～39.1μm，取平均值為29.3μm；一般石英砂為0.5～1.2mm，取平均值為0.85mm。進(jìn)行同樣的“分割”，使每次分割后的粒徑減半，則分割次數(shù)可用下式計(jì)算:
　　N=ln(R 1 /R 2 )/ln 2 (1)
　　式中N——分割次數(shù)
　　R 1 ——石英砂原粒徑
　　R 2 ——分割后石英砂粒徑
　　若將粒徑為0.85mm的石英砂，分割為粒徑0.0293mm，則需經(jīng)過4.85次分割才能達(dá)到。石英砂分割前后表面積之比，可用下式計(jì)算
　　
　　 式中S 2 ——分割后總表面積
　　S 1 ——原表面積
　　R 1 ——原粒徑
　　R 2 ——分割后粒徑則分割后的石英砂總表面積是原表面積的29 倍。
　　鋼毛單位表面的吸附能力可能不如石英砂單位表面的吸附能力，但巨大的表面積可以彌補(bǔ)其不足，使鋼毛超過石英砂濾料的吸附能力。
　　金屬表面與液體表面一樣，表面上的原子所受的力是不對(duì)稱的，如圖1。金屬內(nèi)部的原子，周圍對(duì)它的吸引力是對(duì)稱的，原子在金屬內(nèi)部移動(dòng)無需做功；但是，金屬表面上的原子與周圍原子間的吸引力是不對(duì)稱的，表面層內(nèi)原子的密度是從固相密度轉(zhuǎn)變成液相或氣相的密度。所以，金屬內(nèi)部的原子吸引力較大，而液相或氣相的吸引力相對(duì)要小得多，結(jié)果表面金屬原子相對(duì)地不穩(wěn)定，受到向金屬內(nèi)部的拉力和遷移的趨勢(shì)。從能量上看，要將金屬內(nèi)部的原子移到表面，需要對(duì)它做功。這說明，體系表面積的增加，必然使體系的表面能變大，體系就越不穩(wěn)定。若減少金屬體系的表面能，增加體系的穩(wěn)定性，則金屬表面對(duì)雜質(zhì)顆粒具有較強(qiáng)的吸附能力，反之則吸附能力差。
　　金屬表面通常不是理想的晶面，而是有臺(tái)階、裂隙、溝槽、位錯(cuò)和熔結(jié)等，是很不平坦的粗糙表面，如圖2所示。這就進(jìn)一步增大了鋼毛濾料的表面積，因而顯示出較強(qiáng)的吸附能力。鋼毛與雜質(zhì)顆粒間作用力大小，必然引起質(zhì)的變化。

4 參數(shù)分析

　　濾料的孔隙率、形狀系數(shù)及比表面積，是影響濾料過濾性能的重要參數(shù)。鋼毛濾料同傳統(tǒng)濾料相比，有很多不同之處:
　　4.1 孔隙率M
　　指濾料層中空隙的體積與濾料層體積之比。即
　　M=1-G/(Y×V)(3)
　　式中G——濾層中濾料重量，g
　　V——濾層體積，cm 3
　　Y——濾料比重，g/cm 3
　　鋼毛濾料比常規(guī)濾料的孔隙率大得多，鋼毛濾料的孔隙率可達(dá)95%以上，而石英砂則為44%～46% [3] 。在同樣流量下，鋼毛孔隙中的速度比常規(guī)濾料孔隙中的速度小得多，雜質(zhì)顆粒所受水流剪力也要小得多，因而，可提高截留雜質(zhì)顆粒的能力；孔隙率大、水流阻力小，提高濾速和反沖洗強(qiáng)度都極易做到，且動(dòng)力消耗少；孔隙率大，雜質(zhì)顆粒滲透到濾層中的深度大，可以做到全容積過濾，充分利用整個(gè)鋼毛的截留能力，這是常規(guī)濾料做不到的。
　　4.2 形狀系數(shù)a
　　指相同體積的不規(guī)則與規(guī)則顆粒的表面積之比，它對(duì)濾層水頭損失、孔隙率及濾料表面積都有影響。形狀系數(shù)α可表示

　　以1 # 鋼毛為例，取其平均值為45×15μm，鋼毛為纖維絲狀，則其形狀系數(shù)α=1.30，同普通天然砂的形狀系數(shù)(1.20～1.30)相當(dāng) [3][4] 。事實(shí)上，鋼毛表面是不均勻的，其形狀系數(shù)α>1.30。
　　4.3 鋼毛比表面積
　　指單位體積濾層濾料的表面積(m 2 /m 3 )?？捎孟率接?jì)算:
　　S=6×A(1-M)/D (5)
　　式中 S——比表面積
　　A——形狀系數(shù)
　　D——濾料粒徑
　　以1 # 鋼毛為例，當(dāng)量直徑平均值為29.3μm，A 鋼 為1.3，則
　　S 鋼 =6×1.3×0.05/29.3
　　以粒徑為0.5～1.2μm的石英砂為例，取其平均值為850μm，A 石 為1.3，M 石 為0.44，則
　　S 石 =6×1.3×(1-0.44)/850
　　∴ S 鋼 /S 石 =2.59 即鋼毛濾料的比表面積是石英砂濾料比表面積的2.59倍。比表面積越大，出水水質(zhì)越好，過濾作用越強(qiáng)。

5 結(jié)論

　　以上分析表明，鋼毛濾料本身有極強(qiáng)的過濾作用，可用于水處理領(lǐng)域的許多方面，如江河水、水庫(kù)水、湖泊水、低溫低濁水及特殊水處理等。

6 參考文獻(xiàn)

　　1. 孫明健:《高梯度磁分離法地下水除鐵與鋼毛過濾器研究》，工程兵工程學(xué)院碩士學(xué)位論文，1992年
　　2. 《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》第3冊(cè)，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1986 年
　　3. 許保玖編:《給水處理》，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1979年
　　4. 顧夏聲編:《水處理》，清華大學(xué)出版社，1985年
　　5. 陳宗淇編:《膠體化學(xué)》，高等教育出版社，1987年
　　6.[美]Paulc.Himenz著:《膠體化學(xué)與表面化學(xué)》，周祖康、馬季銘譯，北京大學(xué)出版社，1986年
　　作者通訊處:孫明健 210018 南京漢府街18號(hào)