摘要：分別采用高溫加熱法、反復(fù)沉積法、泥涂層法對石英砂進(jìn)行改性，通過靜態(tài)吸附試驗(yàn)對比了3種改性石英砂和未改性石英砂對有機(jī)物的吸附容量及上清液的COD濃度，并采用動態(tài)吸附試驗(yàn)對靜態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。靜態(tài)吸附試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)改性后石英砂對有機(jī)物的去除率由1.3%-5%提高到18%-50%，吸附容量約是未改性石英砂的5-30倍。動態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果一致?？梢?，對石英砂進(jìn)行改性是提高其去除有機(jī)物效果的有效途徑，其中高溫加熱法制得的改性石英砂對有機(jī)物的去除效果較好。

目前，我國大多數(shù)水廠采用的是“混凝—沉淀—過濾—消毒”的常規(guī)處理工藝，對于水質(zhì)良好的水源，其可制得符合標(biāo)準(zhǔn)的飲用水，但隨著水源污染的日益加重，尤其是有機(jī)物含量的大量增加，常規(guī)處理工藝已顯得力不從心。雖然采用強(qiáng)化混凝、膜分離等技術(shù)可有效地提高凈水效果，但其運(yùn)行、管理費(fèi)用相對較高，基于我國目前的經(jīng)濟(jì)水平，還不能得到廣泛的應(yīng)用。因此，提高常規(guī)處理工藝的凈水效能十分必要。過濾是常規(guī)處理工藝中保障飲用水衛(wèi)生健康的重要工序，可以通過強(qiáng)化過濾來提高凈水效能，而濾料又是強(qiáng)化過濾技術(shù)的關(guān)鍵。

波濤石英砂廠家采用3種不同的方法對石英砂濾料進(jìn)行改性，通過比較對有機(jī)物的去除效果來篩選一種較佳的改性方法，為改性濾料的制備提供依據(jù)。

1 改性石英砂的制備

石英砂表面的預(yù)處理：用自來水反復(fù)沖洗石英砂，沖洗干凈后置于110℃烘箱中烘干，然后用0.1mol/L的鹽酸浸泡24h左右，再用蒸餾水沖洗，直至pH接近中性，后在110℃烘箱中烘干，放入有蓋的瓶中儲存。

分別采用高溫加熱法、反復(fù)沉積法、泥涂層法制備改性石英砂。

① 高溫加熱法：取經(jīng)過表面預(yù)處理的石英砂50mL（約80g），加入30mL、3mol/L的FeCl₃溶，攪拌均勻后置于110℃烘箱中烘干（大約6h，1h攪拌一次，以防止顆粒相互粘結(jié)），然后放入馬福爐中，在600℃下煅燒4h于室溫下冷卻，待涂層穩(wěn)定后用自來水沖洗干凈（沖洗掉未粘結(jié)牢固的顆粒），再用蒸餾水沖洗3遍，烘干后得涂鐵砂I，待用。

② 反復(fù)沉積法：取經(jīng)表面預(yù)處理的石英砂50mL（約80g），加入20mL、3mol/L的FeCl₃溶液，邊攪拌邊加入2mL、5mol/L的NaOH溶液，攪拌均勻后放入烘箱，在110℃下烘24h（前6h每小時攪拌一次，以利于石英砂與改性劑充分接觸，并防止顆?；ハ嗾辰Y(jié)）；加入10mL、3mol/L的FeCl₃溶液和1mL、5mol/L的NaOH溶液，攪拌均勻后再于110℃烘箱中烘12h，于室溫下冷卻，待涂層穩(wěn)定后先用自來水沖洗干凈（沖洗掉未粘結(jié)牢固的顆粒），再用蒸餾水沖洗3遍，烘干后得涂鐵砂II，待用。

③ 泥涂層法：將5mL、5mol/L的NaOH溶液緩慢注入20ml、3mol/L的FeCl₃溶液中，待生成大量沉淀物后攪拌均勻，放入110℃烘箱中烘烤濃縮，待成粘泥狀后取出，并去掉表層浮渣；將經(jīng)表面預(yù)處理的50mL石英砂（約80g）放入其中，混合攪拌，使粘泥狀改性劑均勻覆蓋在石英砂表面，然后放入110℃烘箱中烘干（大約需要24h）；取25mL、5mol/L的NaOH溶液和10mL、3mol/L的FeCl₃溶液，按以上方法制備粘泥狀改性劑，待改性劑制好后，將已涂層的石英砂放入其中混合攪拌，使改性劑均勻涂層，后放入110℃烘箱中烘干（大約12h），取出于室溫下冷卻，待涂層穩(wěn)定后先用自來水沖洗干凈（沖洗掉未粘結(jié)牢固的顆粒），再用蒸餾水沖洗3遍，烘干后得涂鐵砂Ⅲ，待用。

2 去除有機(jī)物的靜態(tài)吸附試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

取適量腐殖酸原液，加硫酸調(diào)整pH至中性，用適量蒸餾水稀釋，搖勻配制成含有不同有機(jī)物濃度的原水（為使試驗(yàn)結(jié)果更加明顯，所取原液濃度都較大）。

靜態(tài)試驗(yàn)采用燒杯試驗(yàn)法，即分別取100mL原水倒入已放有50mL未改性石英砂和3種改性石英砂（各約80g）的燒杯中，將燒杯置于振蕩器中，在20℃下，以100r/min的速度振蕩3h靜置1h后用移液管吸取上清液，經(jīng)定量濾紙濾去水中雜質(zhì)后測定有機(jī)物含量。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

在不同的原水COD濃度下，未改性石英砂及3種改性石英砂對有機(jī)物的靜態(tài)吸附試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同濾料對有機(jī)物有吸附效果

原水COD/（mg·L-1）	涂鐵砂Ⅰ		涂鐵砂Ⅱ		涂鐵砂Ⅲ		石英砂
	上清液COD/（mg·L-1）	去除率/%	上清液COD/（mg·L-1）	去除率/%	上清液COD/（mg·L-1）	去除率/%	上清液COD/（mg·L-1）	去除率/%
43.73	25.07	42.7	27.2	37.8	32.27	26.2	41.60	4.7
34.67	17.60	49.2	20.53	40.8	24.27	30.0	33.30	3.1
23.47	12.53	46.6	14.93	36.4	17.60	25.0	22.80	2.9
17.07	9.60	43.8	12.00	29.7	13.60	20.3	16.67	2.3
10.13	6.40	36.8	7.46	26.4	8.27	18.4	10.00	1.3

由表1可知，改性石英砂去除有機(jī)物的效果好于未改性石英砂，在相同的原水COD濃度下，經(jīng)涂鐵砂Ⅰ處理后的上清液COD濃度低，涂鐵砂Ⅱ的次之，未改性石英砂的高。

各種濾料對有機(jī)物的吸附容量見表2。

表2 不同濾料對有機(jī)物的吸附容量

原水COD/（mg·L-1）	吸附容量/（mg·g-1）
	涂鐵砂Ⅰ	涂鐵砂Ⅱ	涂鐵砂Ⅲ	石英砂
43.73	0.02333	0.02066	0.01433	0.00266
34.67	0.02134	0.01768	0.01300	0.00134
23.47	0.01368	0.01068	0.00734	0.00084
17.07	0.00934	0.00634	0.00434	0.00050
10.13	0.00466	0.00334	0.00233	0.00016

從表2可知，各改性石英砂的吸附容量均比未改性石英砂大得多，在相同的原水COD濃度下，涂鐵砂的吸附容量是未改性石英砂的5-30倍。同時，比較3種涂鐵砂的吸附容量可以發(fā)現(xiàn)，涂鐵砂I＞涂鐵砂II＞涂鐵砂Ⅲ?？梢?，改性大大提高了石英砂對有機(jī)物的吸附能力，但不同改性方法制得的改性石英砂對有機(jī)物的吸附效果存在較大的差別，以高溫加熱法制得的改性石英砂對有機(jī)物的吸附能力較強(qiáng)。

3 去除有機(jī)物的動態(tài)吸附試驗(yàn)

3.1 工藝流程

工藝流程如圖1所示。

取適量腐殖酸原液，加硫酸調(diào)整pH至中性后，加入適量自來水配制成所需濃度的原水，為了對比明顯，原水有機(jī)物濃度采用較高值，其中COD為2027mg/L，UV254為0.135cm-1。

分別將涂鐵砂I、II、Ⅲ和未改性石英砂放入直徑為15mm的濾柱中，濾層高為35cm，原水從水箱靠重力作用流至平衡水箱，然后再進(jìn)入各濾柱，控制濾速為2m/h，采用紫外分光光度計(jì)測定UV254，用快速密閉催化消解法測定COD。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

各濾柱對COD和UV254的去除效果分別如圖2、3所示。

從圖2可見，3種改性石英砂和未改性石英砂對COD的去除率都隨過濾時間的延長而降低，但改性石英砂對有機(jī)物的去除率明顯高于未改性石英砂。過濾初期，涂鐵砂I對有機(jī)物的去除率為40.8%，涂鐵砂II為31.6%，涂鐵砂Ⅲ為25%，石英砂為13.2%；接近過濾終點(diǎn)時，涂鐵砂I對有機(jī)物的去除率仍有14.5%，涂鐵砂II為10.6%，涂鐵砂Ⅲ為7.9%，而石英砂僅有3.3%。比較3種改性石英砂對有機(jī)物的去除率，可知涂鐵砂I對有機(jī)物的去除率較高，涂鐵砂II次之，涂鐵砂Ⅲ低，即高溫加熱法制得的改性石英砂對有機(jī)物的去除率較高。

圖3表明，經(jīng)10h過濾后，涂鐵砂I、II、Ⅲ的濾后水UV254值分別比未改性石英砂的平均低13. 28%、9.14%、6.41%，3種改性石英砂和未改性石英砂去除UV254的效能與去除COD的效能一致。

4 結(jié)果分析

靜態(tài)和動態(tài)試驗(yàn)結(jié)果一致，表明改性石英砂對有機(jī)物的吸附效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于未改性石英砂，但不同改性方法所制得的改性石英砂對有機(jī)物的去除效果大不相同，高溫加熱法制得的改性石英砂的去除效果較好，反復(fù)沉積法制得的次之，泥涂層法制得的很差。

石英砂的比表面積小、孔隙率低，因而吸附容量小，但經(jīng)改性后，比表面積可增加10倍以上，大大增強(qiáng)了其表面的吸附能力。而且，改性后石英砂表面涂覆的鐵氧化物因吸附一層水分子而發(fā)生了羥基化，導(dǎo)致其在等電點(diǎn)處的pH值由原來的0.7-2.2提高到7.5-10.3，使改性石英砂在中性水環(huán)境下由帶負(fù)電荷轉(zhuǎn)變?yōu)閹д姾?，而水中的大部分有機(jī)物均帶負(fù)電荷，這增強(qiáng)了其相互間的靜電吸附作用。因此，改性石英砂對有機(jī)物的去除效果明顯優(yōu)于未改性石英砂。

涂層效果是決定改性石英砂物化性質(zhì)的主要因素。反復(fù)沉積法和泥涂層法是通過金屬鹽與堿反應(yīng)生成金屬氫氧化物沉淀，然后變成金屬氧化物，而高溫加熱法則是通過加熱使金屬鹽水解產(chǎn)生氫氧化物沉淀，然后再轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘傺趸锊⒏街谑⑸氨砻?。?jīng)稱量，涂鐵砂I、Ⅱ、Ⅲ的涂層質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6.2%、3.5%、2.3%，因此高溫加熱法制得的改性石英砂對有機(jī)物的去除效果較好，反復(fù)沉積法的次之，泥涂層法的很差。

5 結(jié)論

① 在原水有機(jī)物濃度相同的條件下，改性石英砂對有機(jī)物的去除效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于未改性石英砂。

② 3種不同制備方法制得的改性石英砂對有機(jī)物的去除率不同，高溫加熱法制得的改性石英砂對有機(jī)物的去除效果較好，反復(fù)沉積法的次之，泥涂層法的很差。