高乃云 徐迪民 范瑾初 嚴(yán)煦世
(同濟(jì)大學(xué)污染與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

　　摘要：介紹了氧化鋁涂層石英砂和未涂層石英砂對(duì)微污染原水進(jìn)行直接過(guò)濾的研究結(jié)果：無(wú)論對(duì)濁度，還是對(duì)有機(jī)物的綜合去除，氧化鋁涂層砂濾料過(guò)濾效果均明顯優(yōu)于未涂層砂濾料。
　　關(guān)鍵詞：改性濾料 有機(jī)物去除 過(guò)濾 氧化鋁涂層砂

　　低濁或低溫低濁的微污染原水在常規(guī)的混凝、沉淀、過(guò)濾等處理工藝中得不到理想的處理效果。采用氧化鋁改性劑涂在石英砂上，可改變石英砂表面的負(fù)電性。采用這種氧化鋁涂層砂進(jìn)行直接過(guò)濾，可以有效地提高對(duì)濁度和有機(jī)物的去除效果。

1 濾料、原水和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 濾料及試劑
　　篩選水廠過(guò)濾用的石英砂，粒徑0.5～1.2 mm，其化學(xué)成分SiO₂占90%以上。采用AR級(jí)的AlCl₃·6H₂O、NaOH和HCl試劑對(duì)石英砂進(jìn)行改性處理。
1.2 “涂鋁砂”的制備
　　采用0.1 mol/L的HCl溶液對(duì)石英砂表面進(jìn)行預(yù)處理，浸泡24 h后，用蒸餾水沖洗干凈，然后在110 ℃烘箱中烘干。配制1 mol/L的AlCl₃·6H₂O溶液250 mL，用NaOH溶液調(diào)整pH以使形成氧化鋁懸浮液。在氧化鋁懸浮液中加入500 g砂，分裝于兩個(gè)三角燒杯中，放于磁力加熱攪拌器，在70 ℃條件下連續(xù)攪拌3 h，然后置入110 ℃烘箱烘干。經(jīng)烘干的氧化鋁涂層砂再用蒸餾水沖洗干凈，在110 ℃烘箱中烘干后供使用。
1.3 原水
　　過(guò)濾原水取自盛夏的同濟(jì)大學(xué)校園內(nèi)三好塢河水，再加入等量的自來(lái)水，濁度約20NTU。
1.4 實(shí)驗(yàn)方法、測(cè)試項(xiàng)目與儀器
　　分別將涂鋁砂和石英砂裝入濾料高度為70cm的兩個(gè)濾柱中，不投加任何混凝劑，采用等水頭減速過(guò)濾進(jìn)行微污染原水的直接過(guò)濾對(duì)比實(shí)驗(yàn)。
　　測(cè)試項(xiàng)目與儀器見(jiàn)表1。

表１　　　測(cè)試項(xiàng)目與儀器 測(cè)試項(xiàng)目 測(cè)試儀器或方法 濁度 美國(guó)HACH公司2100P濁度儀 紫外吸光度（UV254） 上海分析儀器廠MC7550紫外分光光度計(jì) 總有機(jī)碳（TOC） 日本島津TOC-500分析儀 耗氧量（CODMn） 國(guó)家環(huán)保局標(biāo)準(zhǔn)方法

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 濁度的去除效果
　　涂鋁砂和未涂層石英砂的直接過(guò)濾除濁效果見(jiàn)圖1。從圖1可知，涂鋁砂除濁效果顯然比未涂層石英砂好。兩種不同濾料在相同進(jìn)水水質(zhì)情況下經(jīng)60多 h過(guò)濾后進(jìn)行沖洗，沖洗后分別進(jìn)行再過(guò)濾，其處理效果見(jiàn)圖2。從圖2可知，涂鋁砂的除濁效果仍然優(yōu)于未涂層石英砂。

2.2 有機(jī)物的綜合去除效果
　　由于原水中含有種類(lèi)繁多的微量有機(jī)污染物，實(shí)驗(yàn)中采用UV₂₅₄、TOC和COD_Mn3種參數(shù)表示水中有機(jī)物含量變化。圖3、4、5分別為涂鋁砂和未涂層砂濾后水中的UV₂₅₄、TOC和COD_Mn隨過(guò)濾時(shí)間的變化。從圖中可見(jiàn)，盡管天然河水水質(zhì)變化很大，但涂鋁砂在過(guò)濾過(guò)程中，對(duì)UV₂₅₄、TOC和COD_Mn的去除效果明顯優(yōu)于未涂層砂。

　　

　　

　　圖6和圖7為經(jīng)過(guò)60多h過(guò)濾及沖洗后涂鋁砂和未涂層砂濾后水中的UV₂₅₄和TOC隨過(guò)濾時(shí)間的變化，可以看出，涂鋁砂對(duì)有機(jī)物的去除效果仍然優(yōu)于未涂層砂。

　　　

3 機(jī)理分析

3.1 遷移作用
　　懸浮雜質(zhì)顆粒在濾料空隙中的質(zhì)量遷移作用可以用遷移擴(kuò)散方程來(lái)表示^［１］：

　　
　　式中　C--懸浮顆粒的濃度
?　　　　t --時(shí)間?
?　　　　m --顆粒的遷移率?
　　　　　▽--Laplace算符?
　　　　?v --懸浮顆粒的速度矢量?
　　　　?D --與位置有關(guān)的懸浮顆粒的擴(kuò)散系數(shù)?
　　　　　Φ --顆粒相互作用的總能量

　　此方程說(shuō)明了懸浮顆粒間和顆粒與濾料間的作用機(jī)理：方程左邊第一項(xiàng)表示懸浮顆粒的時(shí)間變化率；第二項(xiàng)代表水動(dòng)力學(xué)遷移；方程右邊的第一項(xiàng)代表布朗擴(kuò)散遷移；第二項(xiàng)代表顆粒遷移過(guò)程的總能量(包括顆粒重力遷移作功)。通過(guò)遷移過(guò)程，懸浮雜質(zhì)顆粒到達(dá)砂粒表面后通過(guò)粘附作用，在濾料中沉積下來(lái)。
3.2 粘附作用
　　涂鋁砂表面是勃姆石(γ-AlOOH)和三羥鋁石［Al(OH)₃］^［2］。勃姆石的化學(xué)成分中，Al₂O₃占84.98%；三羥鋁石65.4%的成分也是Al₂O₃。由于涂鋁砂表面的化學(xué)成分主要是氧化鋁，即在石英砂表面覆蓋了一層氧化鋁，故稱(chēng)為氧化鋁涂層石英砂。
　　表面的ζ電位是反映顆粒表面雙電層的擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)變化的重要特征參數(shù)。單個(gè)顆粒去除效率公式^［3］為：

　　η_R=α×η　　　　　　　　(2)?
　　式中　η_R--顆粒去除效率
?　　　　α--接觸效率因子(與化學(xué)特性有關(guān))
?　　　　η--僅與孔隙中顆粒物理特性有關(guān)的遷移效率

　　接觸效率因子α(又稱(chēng)粘附效率因子)取決于顆粒的ζ電位，當(dāng)顆粒間或顆粒與濾料之間的ζ電位相差較大，甚至反號(hào)時(shí)，其雙電層作用力為引力，即遷移到一起的顆粒都將發(fā)生粘附作用，此時(shí)α=1，而相差較小或同號(hào)時(shí)，0≤α≤1，將不利于粘附作用發(fā)生。
　　由于涂鋁砂的大小和密度不均，其ζ電位不能直接測(cè)定，只能用反映顆粒表面羥基化程度的重要特征參數(shù)pH_pzc(等電點(diǎn)的pH值)間接表示，濾料顆粒表面的電荷密度σ₀被認(rèn)為與零電荷點(diǎn)有關(guān)。

　　
　　式中 F--法拉第常數(shù)
　　　　　Γ_H+和Γ_OH-?分別為H⁺和OH^-離子的分析表面超量(或表面過(guò)剩)，即在單位面積的表面層中，所含溶質(zhì)物質(zhì)的量與具有相同數(shù)量的溶劑的本體溶液中所含溶質(zhì)物質(zhì)的量之差。
　　pH_pzc表示顆粒表面零電荷時(shí)，即表面質(zhì)子平衡為零時(shí)的pH。石英砂濾料表面的pH_pzc范圍為0.7～2.2，而涂鋁砂則將原砂的pH_pzc提高到7.5～9.5^［4］。如果過(guò)濾原水pH>pH_pzc，則涂鋁砂的氫氧化物表面發(fā)生酸性離解，導(dǎo)致表面帶負(fù)電荷；當(dāng)原水pHpzc，涂鋁砂的氫氧化物表面發(fā)生堿性離解，帶正電荷。過(guò)濾中，原水pH一般為中性，即pHpzc，此時(shí)涂鋁砂表面的正電荷與過(guò)濾對(duì)象--表面帶有負(fù)電荷的雜質(zhì)顆粒因電性相反相吸而增強(qiáng)了過(guò)濾過(guò)程中的粘附作用。

4 結(jié)論

　　① 石英砂表面涂以氧化鋁，改變了其原有性質(zhì)，使之在零電荷時(shí)的pH值由0.7～2.2提高到7.5～9.5。在中性pH條件下，石英砂表面的電荷由負(fù)變?yōu)檎黠@有利于帶有負(fù)電荷的天然雜質(zhì)顆粒的去除和過(guò)濾過(guò)程中粘附作用的增強(qiáng)。
　　② 濁度為20 NTU左右的微污染原水，可用氧化鋁涂層砂直接過(guò)濾，不需投加任何混凝劑。原水中的懸浮雜質(zhì)和微量溶解性有機(jī)物可同時(shí)被不同程度地去除。實(shí)驗(yàn)證明，涂鋁砂的除濁和去除有機(jī)物的效果顯著優(yōu)于未涂層砂。
　　③ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，經(jīng)10 h過(guò)濾，涂鋁砂濾后水比未涂層砂出水濁度平均低45%。過(guò)濾34 h后，前者比后者低31%。過(guò)濾69 h后總平均低25%。同時(shí)，經(jīng)10 h過(guò)濾，涂鋁砂濾后水比未涂層砂出水UV₂₅₄平均低14.8%；TOC低18.6%；COD_Mn低26.7%。過(guò)濾34 h后，涂鋁砂的出水UV₂₅₄比未涂層砂平均低8.6%；TOC低10.2%；COD_Mn低22.7%。過(guò)濾69 h后，涂鋁砂的出水UV₂₅₄比未涂層砂平均低8.0%；TOC低11.2%；COD_Mn低19.2%。
　　④ 實(shí)驗(yàn)證明，有關(guān)技術(shù)人員設(shè)法改變傳統(tǒng)濾砂的特性，進(jìn)而去探索、發(fā)現(xiàn)能夠取代傳統(tǒng)濾料的材料或方法，值得引起重視。
　　⑤ 處理水量大時(shí)，氧化鋁涂層砂制備工作量大，制備方法有待于改進(jìn)、摸索與提高，以便產(chǎn)生更高效率的改性濾料。

參考文獻(xiàn)
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國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(59678021)

作者簡(jiǎn)介：高乃云 副教授
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