特定磁化強度Fe3O4顆粒處理高濁度原水

付甫剛,尹紅軍

(1.重慶工商大學環(huán)境保護研究所,重慶400015;2.重慶市市政設計研究院,重慶400020)

凈水廠一般以地表水為取水源,受自然環(huán)境的影響,原水的濁度可能變得很高,高濁度會增加傳統(tǒng)的混凝沉淀處理設施的處理負荷,導致混凝工序的后續(xù)工序過濾工序的負荷增加,造成濾池濾程縮短、反沖洗頻率增加等問題,甚至會使得凈水廠的出水水質不符合自來水水質標準,凈水廠被迫減量供水甚至停止供水,嚴重影響居民和工業(yè)用水的供應。要避免凈水廠凈水功能全面停擺事件發(fā)生,除了需就集水區(qū)整治、水庫管理等降低原水濁度等治本之道進行努力外,必須提升凈水廠處理高濁度原水的能力。

近年來磁性分離技術逐漸受到廢水處理領域之重視,該技術能有效去除水中的顆粒、油污、重金屬以及有機物,此技術是利用磁性顆粒與水中的污染物結合,再利用磁場對磁性顆粒的磁力作用將污染物與水進行分離[1]。

磁性顆粒的種類繁多,主要有鐵、鈷、鎳等鐵磁性的金屬顆粒及某些特定形態(tài)的鐵氧化物。在實際應用中,以Fe3O4及γ-Fe2O3兩種鐵氧化物最為常見。

磁性顆粒的加入對于水中的懸浮微粒有三種作用,成核效應(Nucleation effect)、絮聚效應 (Aggregation effect)與加重效應(Weighting effect)。以下分別討論之:

(1)成核效應

由化學共沉淀法合成Fe3O4,其粒徑大小可達100 nm左右,因此易分散于水溶液中并與懸浮粒子碰撞結合,形成緊密度較高之膠體,并且膠體表面帶正電,水中大部分懸浮物的表面帶負電,電荷極性不同會產生靜電吸附引力,從而形成較大膠體顆粒,達到去除水中懸浮物的目的,由于Fe3O4微粒在這個過程起重要作用,故稱此效應為成核效應。

(2)絮聚效應

由于磁性顆粒具有磁性,以其為核心所形成的膠體也具有磁性,在水中膠體會因磁力作用相互碰撞團聚變大,此效應為絮聚效應。

(3)加重效應

由于 Fe3O4微粒比重較一般懸浮微粒重 (約4.9～5.2 g/cm3),故以其為核心所形成的膠體密度也會增加,此效應為加重效應。加重效應可增加膠體的沉降速度,更易與水分離。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料制備

(1)Fe3O4磁性顆粒

以化學共沉淀法合成[2],合成程序如圖1所示。

圖1 Fe3O4磁性顆粒合成程序圖

(2)高濁度原水

本研究所采用之高濁度原水,利用底泥與碳酸氫鈉調配而成。調配方法為將適量底泥與少量NaHCO3(buffer)充分混合,并以去離子水定量后劇烈攪伴,即可得不同濁度之高濁度原水。

1.2 研究方法

采用3000 Guass的磁化強度處理 Fe3O4磁性顆粒,再對不同濁度的污水進行處理,研究磁性顆粒添加量對原水濁度的去除效果;在磁性顆粒添加量確定的情況下,研究原水濁度對磁性顆粒濁度去除效果的影響;在磁性顆粒和濁度確定的情況下,研究外加磁場強度對磁性絮聚效果的影響;在其它條件確定的情況下,研究水質條件對磁性絮聚效果的影響[3]。

2 結果與討論分析

2.1 磁性顆粒劑量對磁性絮聚效果的影響

磁化強度為3000 Guass磁性顆粒在進行高濁度原水處理時,合理確定磁性顆粒的添加量顯得格外重要:添加過少導致絮聚效果不理想,不能很好地降低原水的濁度;加入過多的磁性顆粒,又會導致污泥量增加。為了研究磁性顆粒添加量以及外加磁場下對高濁度原水的處理效果,在實驗中進行了對比實驗,圖2及圖3分別為:有外加磁場(1050 Guass)及無外加磁場的情況下,磁種劑量對磁性絮聚效果的影響圖。從圖2可知,當磁種劑量由2.98 g/L增加到3.58 g/L時,水中殘余濁度從114 NTU降至20.9N TU,原水的濁度在磁性顆粒的絮聚作用下得到有效去除。而當磁性顆粒添加量由3.58 g/L增加到5.02 g/L,水中殘余濁度僅能從21 NTU減低至18 NTU,磁種添加量的增加沒有導致濁度的顯著降低,說明當磁種劑量達到一定臨界劑量時,磁性絮聚效果即趨于穩(wěn)定。對比圖2和圖3可知,有外加磁場時的磁性絮聚效果明顯優(yōu)于無外加磁場時的效果;當磁種劑量添加量超過3.58 g/L后,磁性絮聚效果基本趨于穩(wěn)定。由此可知,3.58 g/L的磁種劑量為原水濁度在9600-9800 NTU時的最佳投加量。

綜上所述,對高濁度的原水,磁種添加量和外加磁場都會對濁度的去除效果產生影響。

圖2 有外加磁場(1000 Gauss)的情況下磁種劑量對磁性絮聚效果影響圖

圖3 無外加磁場的情況下磁種劑量對磁性絮聚效果影響圖

2.2 外加磁場強度對磁性絮聚效果的影響

因此在外加磁場的情況下,與磁性顆粒結合的濁度粒子不僅是受到重力的沉降作用,亦受另一平行于重力的外加磁力作用。隨著外加磁場強度的增強,磁作用力愈大。

圖4為不同外加磁場強度對磁性絮聚效果的影響圖,當外加磁場強度越強時,磁性絮聚之效果越好。當外加磁場強度為1050 Guass時,殘余濁度為21 N TU。而在無外加磁場時,殘余濁度仍高于50 NTU。但磁場強度增加,濁度的去除效果降低的不明顯,在1050 Gauss外加磁場強度條件下對濁度的去除效果最好。

圖4 不同外加磁場強度對絮聚效果的影響

2.3 濁度變化對磁性絮聚效果的影響

由實驗結果得知,當原水初始濁度為9600～9800 NTU時,磁性絮聚的最佳磁種劑量為3.58g/L,并且在外加磁場的作用下效果更好。但當原水初始濁度變動,此最佳磁種劑量也會因磁種與濁度顆粒間的碰撞頻率改變而有所不同。

為了研究濁度變化對原水殘余濁度的變化影響,在磁性顆粒添加量不變、外加磁場強度、作用時間不變的前提條件下,通過改變原水的濁度,研究濁度變化對去除效果的影響。具體見圖5。

圖5 不同原水濁度的殘余濁度與時間的關系圖

從圖5可知,當磁性顆粒添加量為3.58 g/L時,對原水濁度小于9700 NTU可得到很好的絮聚效果,對原水濁度大于 9700 NTU的絮聚效果較差。

3 結論

本研究以化學沉淀法制備Fe3O4磁性顆粒,對制備好的磁性顆粒經3000 Guass磁化處理,探討不同磁性顆粒添加量、外加不同磁場強度及濁度變化對濁度去除效率的影響。結果顯示,磁性顆粒添加量并非越多越好,當達到一個臨界量時,添加更多的磁性顆粒并不能能使原水濁度顯著降低。對一特定濁度之原水,存在一最適磁種添加劑量,且外加磁場對磁性絮聚程序是必要的。在外加磁場強度達到700 Guass以上時,沉淀時間34min縮短至10min。濁度變化對磁性顆粒去除效果的影響較明顯。

[1] 陳澄佑.磁性流體的研制[D].北京:清華大學材料科學與工程研究所,1993.

[2] 邵海成,戴紅蓮,黃 健,等.化學共沉淀法合成CoFe2O4納米顆粒及其磁性能[J].硅酸鹽學報,2005,33(8):959-962.

[3] 林本蘭,沈曉冬,崔 升.納米 Fe3O4磁流體的制備及其影響因素研究[J].潤滑與密封,2006,(10):137-140.