改性濾料的特點
發(fā)布時間：2023-12-22 瀏覽:6次
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改性濾料的結(jié)構(gòu)材料一般是由載體材料和改性劑兩部分組成,分述如下
(1)改性濾料的數(shù)體材料改性濾料載體材料的種類很多,對于載體材料的選擇,現(xiàn)今應(yīng)用*多的還是硅酸鹽類礦物,如石英砂在水處理領(lǐng)域應(yīng)用歷史*長,使用*廣泛,因此將石英砂作為改性濾料研制中的載體材料較為普遍,其他可作為改性濾料載體材料的硅酸鹽類礦物還有天然沸石、海泡石,凹凸棒石、橄欖石、陶粒、珍珠巖、用石灰石、蒙脫土、硅藻土等。另外,煙煤、褐煤、纖維球、聚乙烯和玻璃珠等也可作為改性濾料的載體材料
①石英砂,石英砂的物理化學(xué)性能符合建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)(C24.1-88),其化學(xué)成分主要是SO,占到90%以上。SO2是原子晶體,其晶格點上排列著原子,原子之間由共價鍵聯(lián)系著,這種作用力特別強(qiáng),比分子間力強(qiáng)得多,一股具有很高的熔點(1610℃)且很堅硬石英砂是一種比較穩(wěn)定的硅酸鹽礦物,石英砂顆粒的外形特征和一些由機(jī)械作用所形成的坑穴為其表面提供了許多表面吸附位,同時提供了可與吸附劑更好結(jié)合的表面性能。應(yīng)用中為了恢復(fù)其表面性能而對石英砂進(jìn)行表面性質(zhì)的還原十分重要,實際操作中,石英砂原礦般會經(jīng)過水選,分級、酸浸等工序來去除其表面的薄膜鐵、黏結(jié)及泥性雜質(zhì)礦物、弱磁性雜質(zhì)礦物以便恢復(fù)礦物表面性質(zhì)。許多研究表明,石英砂對金屬離子的吸附反應(yīng)可以用表面配位模式進(jìn)行擬合,隨著礦物表面離子吸附覆蓋率的改變,金屬離子的結(jié)合形態(tài)將會發(fā)生相應(yīng)的變化,并因礦物表面和水溶液性質(zhì)不同而異,可能會以單核吸附、多核吸附或表面沉淀等形式出現(xiàn)闡述硅酸鹽礦物表面特性的理論并不成熟,近年來產(chǎn)生的分形理論也是從對多孔填料的表面粗糙度和微孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究來探討多孔填料微觀特征的方法。實際應(yīng)用中由于理論的不成熟,只能通過試驗的方法來確定水處理材料的性能。石英砂優(yōu)越的表面結(jié)構(gòu)和與改性劑較強(qiáng)的化學(xué)固著力成就了它作為改性濾料載體材料的廣泛應(yīng)用。
②天然沸石天然沸石是一種含水的堿金屬或堿土金屬的鋁硅酸鹽礦物,具有多孔性篩分性、離子交換性、耐酸性以及對水優(yōu)越的吸附性能等經(jīng)過預(yù)處理的天然沸石,由于其龐大的表面積、晶體結(jié)構(gòu)的特殊形狀使它對水中的氟離子具有較高的選擇交換性能,沸石經(jīng)過一定的工藝處理還可以成為性能更強(qiáng),吸附更加專的分子篩。沸石規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu)和空間是其他硅酸鹽類礦物所無法比擬的,沸石經(jīng)金屬氧化物活化或鹽浸漬交換后的處理效果有目共睹,在水處理中作為改性濾料載體材料的可選性非常大。
③海泡石,海泡石作為載體材料的應(yīng)用也很廣泛,海泡石是一種纖維形態(tài)的多孔性鎂質(zhì)硅酸鹽,具有極大的潛在比表面積,由兩層砝氧四面體片之間夾一層金屬陽離子組成八面體片構(gòu)成。這種獨特的結(jié)構(gòu)形式使它具有開闊的層間孔道和較大的比表面積,具有吸附離子海泡石除了含有大量的Mg2+之外,在其鍵間的孔道還分布有少量的K+、Ca2和Na和有機(jī)物的能力,等陽離子,其斷鍵產(chǎn)生的負(fù)電荷也可以吸附陽離子,所以海泡石又具有離子交換的性能,在實際應(yīng)用中,經(jīng)過活化后的海泡石在適當(dāng)?shù)臏囟葪l件下交換效果更加突出。
④凹凸棒石。凹凸棒石是新開發(fā)的一種含水富鎂硅酸鹽晶體礦物。它具有獨特的層鏈狀晶體結(jié)構(gòu)和十分細(xì)小的晶體形態(tài),在很多方面表現(xiàn)出非常優(yōu)異的吸附性能,甚至可以達(dá)到分子篩的效果。欒兆坤等人做的改性凹凸棒石氧化膜除氟的試驗證明,凹凸棒石在強(qiáng)度和表面吸附位等各方面的性能都非常優(yōu)越。
其他硅酸鹽礦物的應(yīng)用如蒙脫石、珍珠巖、一水軟鋁石、蛇紋石等也有所發(fā)展。它們的結(jié)構(gòu)特性使分子間作用力加強(qiáng)而易于吸附其他物質(zhì),發(fā)揮協(xié)同處理效果。通過研究礦物表面基團(tuán)和表面作用機(jī)理可以比較深入地探討物質(zhì)間的反應(yīng)過程。硅酸鹽類礦物表面分布了較多的表面懸鍵,具有較廣泛的表面吸附位,為極性表面和改性劑提供了結(jié)合空間,也是硅酸鹽類礦物作為載體材料廣泛應(yīng)用的主要原因。
給水處理過濾選用的改性濾料之所以對沉后水中懸浮物的去除效果較好,主要是因為濾料改性后呈多孔狀物質(zhì),其微孔增多、孔徑小、比表面積大大增加,豐富了固體表面的活性吸附作用點,增強(qiáng)了化學(xué)吸附作用,改性濾料的大比表面積是造成其吸附性能良好的有利條件。同時,在中性水環(huán)境下,改性濾料表面帶正電荷并且涂層金屬氧化物表面具有大量的羥基基團(tuán),羥基化后的表面可以與水中的金屬離子發(fā)生離子交換反應(yīng)。歸納起來,一般改性濾料具有如下幾個特點。
(1)改性濾料的表面粗糙,比表面積大改性濾料是在石英砂載體材料表面涂上一層改劑,涂層后其表面幾乎全被改性劑所覆蓋,這樣載體材料表面的性質(zhì)基本上是改性劑的性質(zhì),當(dāng)改性劑黏附在載體材料表面上時,無數(shù)微型顆粒堆積在其表面,造成比原來載體材料大得多的比表面積,并呈多孔狀。例如氧化鐵涂在石英砂表面上時比表面積是1.59m3/g,與未涂層石英砂的比表面積0.04m2/g比較增加近40倍
(2)改性濾料表面的吸附點多改性濾料的表面比未改性石英砂濾料更為粗糙,比表面積大大增加,其表面吸附點位數(shù)量相應(yīng)也大大增加。試驗結(jié)果表明,改性濾料平均表面吸附點位數(shù)量為0.12mmol/L濾料,面石英砂為0.015mmol/L.濾料。即改性濾料表面吸附點位數(shù)量是石英砂濾料的8倍,盛力等通過試驗發(fā)現(xiàn)在原水錳濃度相同的條件下,金屬氧化物改性石英砂濾料對錳的吸附容量約為天然錳砂對錳吸附容量的2-3倍,約為未改性石英砂的10~13倍007年,趙玉華教授對石英砂和陶粒進(jìn)行涂鐵和涂鋁改性,濾料改性后的吸附容量比未改性時大得多,試驗發(fā)現(xiàn),在相同的原水有機(jī)物質(zhì)量濃度條件下,涂鐵石英砂的吸附容量是未改性石英砂吸附容量的8~26倍,涂鋁石英砂的吸附容量是未改性石英砂吸附容量的4-7倍,涂鐵陶粒的吸附容量是未改性陶粒吸附容量的6~12倍,涂鋁陶粒的吸附容量是未改性陶粒吸附容量的5-8倍。由于石英砂和陶粒的密度不同,所以從單位體積濾料對有機(jī)物的吸附容量來看,涂鐵石英砂>涂鐵陶粒>涂鋁陶粒>涂鋁石英砂>陶粒>石英砂,由此可見,表面涂鐵的石英砂和陶粒改性濾料去除有機(jī)物的效果優(yōu)于表面涂鋁的石英砂和陶粒。
改性濾料
范德華力是分子間的物理作用力,它沒有選擇性,可發(fā)生于固體吸附劑對任意溶質(zhì)之間,物理吸附是化學(xué)吸附的前奏,由于范德華力的作用范圍較大,將遠(yuǎn)離濾料固體表面的吸附質(zhì)點吸附到濾料表面,然后由物理吸附轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)吸附,化學(xué)吸附是不可逆的,這樣可將吸附質(zhì)點牢牢地固定在濾料表面。濾料經(jīng)過涂層表面改性后,其物理吸附性能和化學(xué)吸附性能均得到提高,但改性濾料的化學(xué)吸附性能略高于物理吸附性能,這樣使改性濾料的吸附容量大大提高。
(3)改性濾料等電點時的pH值較高濾料(改性濾料和未改性石英砂濾料)的表面電性表現(xiàn)為濾料表面吸附的正負(fù)電荷(H+與OH)的差值。當(dāng)濾料表面的正負(fù)電荷正好相當(dāng)時,濾料處于零電荷點,這時濾料表面的pH值稱為pH,當(dāng)溶液的pH
pH時,濾料表面帶負(fù)電荷。在通常的水處理環(huán)境下(pH值在?左右),未改性石英砂濾料的表面帶負(fù)電荷,與沉后水中懸浮物所帶的電荷相同,這樣同性相斥,造成了吸附能力較弱,相反,改性濾料在該環(huán)境下則帶正電,與有機(jī)物所帶電荷相反而與有機(jī)物互相吸引,這樣就增強(qiáng)了過濾過程對水中有機(jī)物的吸附易小萍等指出石英砂濾料改性后,可使濾料等電點(PC)時的pH值由原來的0.7-2.2提高到了2.5-10.3左右,這樣改性濾料在中性水的環(huán)境下帶正電荷,同時又由于大部分水中的懸浮顆粒表面都帶有負(fù)電荷,這樣濾料表面和懸浮物表面因所帶電荷相反而互相吸引,增加了黏土顆粒與濾料表面之間的結(jié)合力,增加濁度物質(zhì)的去除率,因此,改性濾料更
有利于靜電吸附作用的發(fā)揮,在電性方面完全優(yōu)于未涂層石英砂濾料。就涂氧化鈦的改性濾料而言,由于氧化鈦的等電點在5.8~6.7,這樣在天然水pH值條件下,改性濾料表面電荷近似為零,降低了黏土顆粒、藻細(xì)胞與濾料表面之間的靜電斥力,增加了過濾除濁、除藻的效率,所以,改性濾料與黏土顆粒、細(xì)胞之間的結(jié)合力增加也是由于濾料改性后其等電點時的PH值提高所致。另外，藻細(xì)胞璧上的有機(jī)物與改性濾料表面上的金屬離子之間也存在MeOOCR的結(jié)合作用。
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