改性滤料在水处理中应用

周明，王琳

(昆明理工大学建筑工程学院，云南昆明650224〉

【摘要】利用涂层改性滤料可以去除水中许多种微量有毒有害污染物质而不需要增加任何药剂，因 此，改性滤料在给水处理中被广泛关注。在收集阅读大量资料的基础上，综述了改性滤料的改性剂、栽体材 料、制备方法、处理原理及在给水处理中应用。并讨论了尚存在问题和需作进一步研究的课题。 【关键词】水处理；改性滤料；改性剂；栽体；涂层

【中圑分类号】丁 1)991.24

目前，一般水处理厂的滤料大多为普通石英砂滤料，也 有少部分水厂采用陶粒滤料、无烟煤滤料等。但由于这些滤 料本身的局限性，如其比表面积有限、中性州条件下表面带 负电荷或不经济性，人们开始设法寻找既经济，过滤效果又 好的滤料，改性滤料即是其中一种。通过改善滤料表面性 质，使过滤效果大大提高，出水水质得到较大改善。随着工 农业生产的发展，水体遭受微量有毒有害物质的污染越来越 严重和普遍,在常规处理工艺的水处理厂，不增加任何药剂， 利用涂层改性滤料可以去除许多种微量有毒有害污染物质。 因此，改性滤料在给水处理中被广泛关注，也成为国内外水 处理;I：作者研究的热门课题。

1改性滤料结构材料

改性滤料一般是由载体材料及改性剂组成。 1.1 改性剂

能够作为改性剂的基本原则是既能改善改性载体表面 的物理化学性质,有利于水中有害有毒污染物质的去除，又 符合饮用水的各项标准，价格便宜，货源充足。在改性滤料 研制中常用的改性剂有為冗13、、&〈 1\\03 ；) 3、八明03、 ？63 04、似打0 ‘ ？62 03、010 “ 1^203、\\11102、1^392？04、聚丙烯酸 胺等。如涂有银的改性滤料可有效去除大肠菌、细菌和 浊度等;氧化铁涂层改性滤料可以去除地下水中砷、硒、氟; 涂有铁滤料可以从镀镉、镀铬废水中有效去除镉、铬和 氰化物等。最为常用的改性剂是三氯化铝、氯化铁。 1.2载体材料

改性滤料的载体种类很多，诸如石英砂、橄榄石、陶粒、 珍珠岩、佛石、海泡石、珊瑚石灰石、蒙脱土、硅藻土、烟煤、褐 煤、纤维球、聚苯乙烯和玻璃珠等,但在水处理中应用历史最 长的、使用最广泛的是石英砂,在改性滤料研制中常用石英 砂作为改性滤料载体。石英砂物理化学性能符合建设部部 颁标准〔0124. 1 - 88〉，其化学成分主要是5；02 ’占90^以 上。3；02是原子晶体,其晶格点上排列着原子,原子之间由 共价键联系着，这种作用力特别的强，比分子间力强得多。 一般具有很高的熔点且很坚硬。3102的熔点为16101。

改性滤料的制备综合起来，主要通过两种途.径，一是在 载体材料表面低温。(？冗）涂改性剂；二是在载体材料表面高

【文献标识码】8

温050寬）加热涂改性剂。 2处理原理

载体材料通过涂层后，其表面几乎全被改性剂所覆盖, 这可通过扫描电子显微镜观察和扫描电子显微镜照片中可 见（图1〉。这样，改性剂的性质基本代替了载体材料表面的 性质。根据物理化学理论，比表面积较大的固体常常是不稳 定的，当条件许可时，总是要吸附一些细小的颗粒，以表面变 为平滑和无活性达到稳定。改性滤料的大比表面积就是造 成其吸附性能良好的有利条件。当改性剂粘附在载体材料 上时，无数的微型颗粒堆积在其表面，造成比原载体材料大 得多的比表面积,并呈多孔状。例如氧化铁涂层砂的比表面 积是1.59 一/8,与未涂层砂比表面积0.04 一/8比较，比表 面积增加近40倍⑴。有效地优化了载体材料的表面性质， 以致于在过滤过程中可以大量地吸附水中的杂质离子。

图1氧化铁涂层砂改性滤料放大

2 500倍的扫描电于显微镜照片〔2〗

[收稿曰期]2006 -07 -24

[基金项目]云南省自然科学基金资助项目（项目编号: 2001200201^1 ^

[作者简介]周明，男，讲师，主要研究方向：水处理理论 与技术。

提出的单分子吸附理论认为，任何固体表面 都不是绝对光滑的，而是由大量均匀分布的凸出点组成， 凸出点上的原子和离子具有未饱和的价键力，构成了一系 列的吸附作用点。这些点称为表面吸附活性中心，只有在 这些活性中心上才会发生吸附，而并不是在表面上所有地 点都可发生，也就是说，固体吸附的作用点是有限的。还 认为，活性中心的吸附作用范围大致为分子大小，每个活 性中心点只能吸附一个物质分子。因此，当表面吸附活性 中心全部被占满时，吸附量达到最高饱和值，这时在吸附 剂表面上分布有被吸附物质的单分子层。被吸附的物质分 子不能再进行吸附，它们相互之间也没有作用，因此不可 能再形成第二层被吸附分子，只能是单分子层吸附。改性 滤料呈多孔状物质，其微孔多、孔径小、比表面积大，丰 富了固体表面的活性中心，从而提高了改性滤料去除水中 杂质离子的性能。

3改性滤料应用在水处理中的研究与实践

3.1去除细菌、浊度

1990年，印度1紅)^!^等人曾经以烟煤和褐煤作为 改性滤料的载体，以银、硫酸铝和三氯化铁作为改性 剂，制备了四种改性滤料⑴，去除水中的大肠菌、细菌和 浊度。贝11113111 ？.】011118011和只打忧.！：. 108011⑷研究了改性 滤料对细菌的吸附效果，认为由于细菌带负电，表面涂以 氧化铁的石英砂改性滤料优于未涂层石英砂滤料和表面沉 淀了有机物的石英砂滤料。

3.2去除铁、锰

乌克兰基辅建筑工业大学的一个课题组对改性滤料进 行了研究和探讨。结果表明，在除铁、除锰过程中，使用 改性滤料是改善滤料成熟前出水水质、缩短成熟期的有效 途径之一。研究成果已用于生产实践，并且效果良好，设 备简单，操作方便，节约能源，显示了改性滤料的优越 性【5】。

同济大学邓慧萍在博士后流动站从事研究工作期间， 采用涂层改性滤料进行除铁和除浊研究。用^304、^^ ‘ ？6203、010 ‘ ？62 03和似002作为改性剂。该研究还着重对 改性滤料的载体进行了对比试验研究。试验中用石英砂、 珍珠岩、陶粒作为改性滤料的载体。试验证明，表面未经 处理的陶粒对的吸附能力较低，表面涂有^102、拟110 “？6203膜的滤料，吸附容量最大，除铁效果最佳⑴。

3.3去除铜、锌

1994年，大学(：.札等，利用加热过程，在 盐酸溶液浸泡过的仏67 ！！,^ 99 ^石英砂上，涂以 铁溶解液，制得涂铁吸附剂，置人直径为2.6 (^，80 高 的聚碳酸酯管滤柱中，采用间歇滤柱试验方法，进水中含 铜离子浓度（(^似-3』〉几乎可以被全部去除⑷。 同济大学高乃云教授⑺分别用氧化铝涂层砂和氧化铁涂层 砂去除水中的金属锌，发现？只大于9时，涂铝砂除锌率达 1鹏。

3.4去除砷、硒、氟

1990年，日本311；明如等将氢氧化铁涂到珊瑚石 灰石上，得到铁-珊瑚改性滤料，取20克放人29：！^直径 的玻璃管中，成为一个高体积为17-的面定床柱， 当含有1.0、卯历砷的原水以100011/11的水力负荷通过固定 床柱，可以有效地把水溶液中的痕量五价砷吸附到铁-珊 瑚表面⑻。1996年，印度工业学院八0111 〖等采用 铁涂到平均几何尺寸为化49！！^的石英砂表面的氧化铁涂 层砂作为滤料，制成低成本的、简单的、家用除砷装置， 以去除地下水中三价和五价砷㈩。1998年，“国立” 大学环境工程研究生院和农业化学系识甜-“；^等， 在各种条件下，用1~ 口3溶液在70弋时涂于石英砂 表面，老化两天。然后用制备好的氧化铝涂层砂〖粒径为

进行四价和六价硒的去除试验， (^)和56 (乂〗）的去除随1)9的减少而增加，但对36 (^)的去除明显地比(”）的去除率高111)1。同济大学 高乃云教授⑺用氧化铁涂层砂去除水中的氟、砷，发现低

时，涂铁砂能非常有效地去除水中氟和砷。 3.5去除镉、铬和氰化物

19年，印度工业学院〗丨1330 I 33中814用平均几何尺 寸为0.71 ！！皿的过筛石英砂，涂以铁。将涂层滤料 〈15 0:111高度）置人直径为1.1 的玻璃柱中，分别在不同 的条件下从镀镉、镀铬废水中有效去除镉、铬和氰化 物[〜

3.6 去除有机污染物

同济大学向阳博士采用经阳离子有机锗或聚铝阳离子 改性的蒙脱土和海泡石，对有机污染物（苯、甲苯、乙苯、 二氯甲烷、氯仿和四氯化碳）的吸附能力进行了研究。改 性后的蒙脱土和海泡石，吸附能力有很大的改善，最大吸 附容量可达扣！!!^/?"]。同时，对硅藻土的改性也进行了研 究。这些研究内容与石英砂滤料改性具有相同性质。

013叩和咖-^；1121用表面涂铁的石英砂 和橄揽石去除天然有机物，发现去除效率直接和涂在滤料 表面的改性剂的量有关，并随着溶液的？9值的降低、溶液 中钙离子的量的增加和空床接触时间的增加而增强。他们 还指出这种滤料的比表面积是未涂层滤料的40 ~ 50倍。另 外，他们还把改性滤料和膜滤结合使用，发现加热了的改 性滤料颗粒去除有机物很有效，与相同条件下的单独膜处 理比较，去除率大大提高，且所用膜不易污染，延长了使 用寿命。

4应用前景及存在问题

随着工农业生产的发展，水体遭受工农业废水的污染 越来越严重和普遍，源水中污染物质种类越来越多，原水 水质成分越复杂。在常规处理工艺的水处理厂，不增加任 何药剂，利用涂层改性滤料可以去除细菌、浊度、铁、锰、 锎、锌、砷、硒、氟、镉、铬、氰化物和有机污染物等许 多种微量有毒有害污染物质，因此，改性滤料在给水处理 中应用前景十分广阔。但是要真正应用到实际生产中，笔 者认为尚存在如下三个问题。

197

四川建筑第26卷2006.9

(！)强度：改性滤料强度较弱，特别是在低温、低 值条件下氧化铝涂层砂强度很弱，图2所示〈下转第200页）

工程正常运转后，珠海市环境监测站对项目运行情况进 行了全面的监测，监测结果表明，处理出水完全达到 08118 -2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级标 准的4标准要求(表2〉，完全可以作为球场喷灌水源。

表2金湾离尔夫球场生活污水处理设施监测结果

金湾高尔夫球场污水处理工程采用八0生物处理法处 理污水，达到了预期的处理效果,减少了高尔夫球场污水对

〈上接第197页）为氧化铝涂层砂改性滤料放大2 500倍 的扫描电子显微镜照片，从照片中清楚地看到，表层几何 全部开裂，说明了氧化铝涂层砂改性滤料表面层机械强度 弱。作为水处理用的滤料材料，其强度要求是很高的，必 须具有足够的机械强度，才能防止冲洗时滤料产生严重磨 损和破碎现象。因此，如何提髙改性滤料机械强度，值得 进一步研究。

图2氧化铝涂层砂改性滤料放大

2 500倍的扫描电子显微镜照片⑵

吸附容量：改性滤料对有毒有害物的吸附容量较 低，一般在10:06/8以下，如何提高改性滤料的吸附容量， 是改性滤料推广应用到实际生产中必须研究解决的又一重 要问题。

再生：尽管改性滤料制备方便、制备成本低廉。 但是，作为过滤材料不能多次反复使用，将会影响其在实 际生产中更为广泛应用。必须研究解决的第三个问题就是 研究改性滤料的再生技术。

周围环境的污染，具有较大的社会效益和环境效益。

针对高尔夫球场用水量大的特点，金湾高尔夫球场将处 理达标水作为球场喷灌水源，提高了球场内水的循环利用 率,也符合高尔夫球场节约用水的要求，具有较好的经济效 益,值得其它球场借鉴。

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