CN202219115U - 一种氧化铁改性石英砂滤材 - Google Patents

一种氧化铁改性石英砂滤材 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种氧化铁改性石英砂滤材。该滤材包括石英砂载体及包裹于所述载体上的氧化铁吸附层。其中，石英砂载体是粒半径大小为500~1200um。氧化铁吸附层主要由α-Fe2O3颗粒组成，厚度为100~250um。表面孔隙孔径的大小为5~40um。经实验证明，该滤材的比表面积较未改性的石英砂滤材增加14倍，吸附容量大。同一运行条件下，使用本实用新型的滤柱较未改性的石英滤柱对高岭土原水的去除率提高30%以上，而对腐植酸原水的去除率能够保持在70%以上，未改性的石英滤柱对腐植酸原水则几乎没有去除效果。

Description

一种氧化铁改性石英砂滤材
技术领域
本实用新型涉及改性石英砂滤材，具体涉及一种氧化铁改性石英砂滤材。
背景技术
随着检测手段的进步和水中有机物检出种类的增加，饮用水标准对有机物的种类和含量作了越来越严格的限制。其中强化过滤技术的关键是滤料。
目前，国内外有关改性滤料强化过滤方面的研究，主要侧重于表面特性和处理效果方面。其中，石英砂在诸多改性滤料中对有机物的去除率最高，吸附时间最短。美国环保局已经提出将石英砂作为一个新兴的除砷过滤技术用于供水设施。 
改性滤料的原理是根据物理化学理论，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。当改性剂粘附在滤料上时，无数的微型颗粒堆积在滤料表面,造成比原滤料大得多的比表面积，并呈多孔状，这种大比表面积将形成其良好的吸附性能。同时滤料等电点(PZC)时的pH值由于原来的0.7～2.2提高到了7.5～10.3左右，使得改性滤料在中性水的环境下带正电，又由于大部分水中的颗粒表面都带有负电荷，这十分有利于去除微污染水中的有机物[11]。表1-1为普通滤料和改性滤料的性能对比情况。
改性滤料只需更换滤料，不需添加任何药剂，即可达到去除水中有机物和悬浮颗粒的双重目的，这种做法比较适合我国目前给水处理的现状。
表面改性是指用物理、化学、机械等方法对粉体材料表面进行处理，根据应用的需要有目的地改变粉体材料表面的物理化学性质，如表面组成、结构和官能团、表面能、表面湿润性、电性、光性、吸附和反应特性等。常用的表面改性工艺方法有：物理涂覆、化学包覆、沉淀反应等。滤料表面改性，采用最多的方法是反复沉淀法和加热蒸发法，也就是使金属氧化物遵循“溶胶 -凝胶-沉淀”的转化过程，然后设法附着在载体表面。其中反复沉淀法是通过金属盐与碱反应生成金属氢氧化物沉淀，然后变成金属氧化物；而加热蒸发法则是通过加热使金属盐水解产生氢氧化物沉淀，然后再转变成为金属氧化物附着在滤料表面上。已有的研究成果显示：反复沉淀法容易控制，易于实现，且吸附容量大，但所得的多层吸附层容易脱落；加热蒸发法比反复沉淀法制备出的滤料附着强度要高，其表面形成的物质更有利于静电吸附作用的发挥，但所得改性石英砂的吸附容量提高仍不足。
目前改性石英砂未能运用到实际工程中，主要存在以下几个技术缺陷：包括吸附容量不足、反冲洗脱附难、附着强度不强、负载量较低、表面孔径、吸附污染物种类单一等，影响上述缺陷的因素主要包括：石英砂载体粒半径的大小；吸附层的组成，吸附层厚度、表面孔隙孔径的大小等。因此，寻求一种表面性能优良、吸附去除效果更佳、并显著降低污染物的有效去除成本的滤材，是目前业界亟待解决的难题之一。
实用新型内容
为克服以上技术缺陷，本实用新型提供了一种氧化铁改性石英砂滤材。该滤材具有合适的石英砂载体粒半径的大小、表面孔隙孔径的大小及吸附层厚度；吸附层主要由赤铁矿α-Fe2O3颗粒组成。能针对水处理中的微污染物质发挥优良的吸附作用。
本实用新型通过如下技术方案实现：
一种氧化铁改性石英砂滤材，包括石英砂载体及包裹于所述载体上的氧化铁吸附层，其特征在于：所述的滤材为瘤球状，所述石英砂载体粒半径大小为600~1450μm；所述氧化铁吸附层厚为100~250μm，表面孔隙孔径的大小为5~40μm。
所述氧化铁吸附层主要由α-Fe2O3颗粒组成。
所述α-Fe2O3颗粒粒径大小为10~30μm。
本说明书所述的瘤球状是指表面布满不规则颗粒体，凹凸不平的球状体。
以本实用新型和未改性的石英砂作为比较对象，采用BET比表面积测定仪测定比表面积，分析评价表面吸附容量。再利用SEM扫描电镜放大5000倍分别观察样品的表面形貌，分析判断样品表面的氧化铁形态，滤材的结构组成、形状。
通过新型给水处理工艺小试实验装置（如图2所示），该装置包含混合-絮凝-沉淀-过滤-膜深度处理工艺，研究动态过滤装置中的过滤性能与反冲洗能力。过滤装置主要为：直径80mm、滤层厚50mm的有机玻璃滤柱。
通过以上实验证明，相对于现有技术，本实用新型具有以下优点：
1.经BET比表面积测定仪测定得出：本实用新型的比表面积较未改性的石英砂滤材增加14倍，吸附容量大。
2.经新型给水处理工艺小试实验得出：本实用新型的过滤周期延长2~3倍，滤速提高1.5~2.5倍，空床停留时间缩短1-3min。同一运行条件下，使用本实用新型的滤柱较未改性的石英滤柱对高岭土原水的去除率提高30%以上，而对腐植酸原水的去除率能够保持在70%以上，未改性的石英滤柱对腐植酸原水则几乎没有去除效果。过滤周期结束后，使用本实用新型的滤柱经一定强度的气水反冲洗仍能达到很高的过滤去除效果，具有较强的再生能力，过滤成本低。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
图2是新型给水处理工艺小试实验装置图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型包括石英砂载体1及包裹于所述载体上的氧化铁吸附层2。其中，所述的滤材为瘤球状，所述石英砂载体1粒半径大小为600~1450μm；所述氧化铁吸附层2主要由α-Fe2O3颗粒组成，厚度为100~250μm，所述α-Fe2O3颗粒3粒径大小为10~30μm。其表面孔隙孔径4的大小为5~40μm。
本实用新型可以通过如下方法制备。
1、筛取未改性石英砂。
（1）用孔径分别为0.5 mm和1.2mm的筛网筛选天然未经处理的石英砂，获得直径范围为0.5～1.2mm的待表面预处理石英砂滤料。
（2）用自来水反复冲洗干净，清除其表面污染物及其它杂质，置于110℃烘箱中烘干。
（3）用0.1mol/L的HCl溶液酸浸50h。
（4）再用蒸馏水冲洗干净，冲洗水回收测pH值，为中性后停止冲洗。
（5）再置于110℃烘箱中烘干，烘干后贮入有盖瓶备用。
2、配备改性剂和沉淀剂。
（1）改性剂：浓度为2mol/L的FeCl3溶液。
称取108.116g的FeCl3·6H2O（分析纯，M=270.29），置于100ml的烧杯中，倒入50ml左右的双蒸水，并在1500w的电炉上加热溶解10分钟，冷却至室温，用玻璃杯引流至200ml 的容量瓶，再用双蒸水稀释定溶至200ml，获得改性剂。
（2）沉淀剂：浓度为3mol/L的NaOH溶液（分析纯，M=40），配备过程与改性剂类同。
3、制备本实用新型所述的氧化铁改性石英砂滤材。
（1）将上述备用的未改性石英砂与改性剂FeCl3溶液和沉淀剂NaOH溶液混合，未改性石英砂与改性剂、沉淀剂混合的比例为1g：0.25mL：0.3 mL。充分搅拌后置于110℃烘箱中烘干48h，烘干过程中不对混合液进行任何搅拌。
（2）将烘干后的混合体转移至电阻炉中，在煅烧温度T=250℃，煅烧时间t=2h的条件下高温煅烧。
（3）取出后冷却至室温，用蒸馏水冲洗去改性后石英砂表面未负载上的氧化铁颗粒，直至洗出液呈中性，再置110℃烘箱中烘干，获得目标产品氧化铁改性石英砂。
 将所得目标产品，选取适量的样品，通过扫描电子显微镜（SEM）对样品表面进行观察，其结构如图1所示。
将本实用新型样品与未改性石英砂用金埃谱BET比表面积测试仪(F-Sorb 2400)进行测定，结果如下表所示。
比表面积测定结果
Figure 176017DEST_PATH_IMAGE003
     从上表可以看出，本实用新型的比表面积较未改性的石英砂滤材增加14倍左右，吸附容量得到极大的提高。
 利用新型给水处理工艺小试实验装置进行给水处理实验，如图2所示，该实验装置包括转子流量计1、有机玻璃滤柱2、磁力驱动循环泵3、气压泵4、减压阀5、压力表6、滤后水箱7等，将未改性石英砂、普通改性石英砂、普通改性石英砂+活性炭滤料填充于三个有机玻璃滤柱2内。配制接近或大于水厂实际浊度的滤前水（包括高岭土原水和腐植酸原水两种），将滤前水经过实验装置。记录结果表明，本实用新型的过滤周期延长2~3倍，滤速提高1.5~2.5倍，空床停留时间缩短1~3min。同一运行条件下，使用本实用新型的滤柱较未改性的石英滤柱对高岭土原水的去除率提高30%以上，而对腐植酸原水的去除率能够保持在70%以上，未改性的石英滤柱对腐植酸原水则几乎没有去除效果。过滤周期结束后，使用本实用新型的滤柱经一定强度的气水反冲洗仍能达到很高的过滤去除效果，具有较强的再生能力，过滤成本低。

Claims (3)

1.一种氧化铁改性石英砂滤材，包括石英砂载体及包裹于所述载体上的氧化铁吸附层，其特征在于：所述的滤材为瘤球状，所述石英砂载体粒半径大小为600～1450μm；所述氧化铁吸附层厚为100～250μm，表面孔隙孔径的大小为5～40μm。
2.如权利要求1所述的滤材，其特征在于：所述氧化铁吸附层主要由α-Fe2O3颗粒组成。
3.如权利要求2所述的滤材，其特征在于：所述α-Fe2O3颗粒粒径大小为10～30μm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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