井下水過濾階段濾料制備實驗研究

孟憲慧

（山東省冶金設(shè)計院股份有限公司，山東 濟南250014）

過濾是以粒狀濾料層截留水中懸浮雜質(zhì)，進而使水獲得澄清的工藝過程。過濾的功效不僅在于進一步降低水的濁度，而且水中有機物、細菌乃至病毒等將隨水的濁度降低而被部分去除。至于殘留于濾后水中的細菌、病毒等在失去混濁度的保護或依附時，在濾后消毒過程中將容易被殺滅，這就為濾后消毒創(chuàng)造了條件。 在飲用水的凈化工藝中過濾是不合缺少的，它是保證飲用水衛(wèi)生安全的重要措施。 在此試驗中，過濾主要是為了降低水的硬度及高錳酸鹽指數(shù)。

1 濾料的選擇依據(jù)

濾池中的濾料是承擔過濾功能的主要部分，質(zhì)量的好壞直接決定著出水水質(zhì)。 給水處理所用的濾料，必須符合三個要求：

（1）具有足夠的機械強度，以防沖洗時產(chǎn)生濾料磨損和破碎現(xiàn)象。

（2）具有足夠的化學穩(wěn)定性，以免濾料與水產(chǎn)生化學反應(yīng)而惡化水質(zhì)，尤其不（能含有對人類健康有害的物質(zhì)。

（3）具有一定的顆粒級配和適當?shù)目障堵省?此外濾料應(yīng)盡量就地取材，貨源充足，價廉。

根據(jù)此三點，選擇石英、天然濾石和改型后的濾石為原料進行實驗研究。

2 過濾試驗方法及裝置

試驗所用過濾裝置是由兩根內(nèi)徑為20mm、 長為2m 的有機玻璃柱、儲水瓶、轉(zhuǎn)子流量計等組成的自制的試驗裝置，分別取一定量的石英砂濾料或沸石濾料裝柱，經(jīng)過混凝沉淀后的水從進水口通過重力自流自上而下流過過濾柱，流量的大小由轉(zhuǎn)子流量計控制，過濾后的水由出水口排出，出水500ml 后取水樣進行分析。 過濾試驗裝置如圖1所示，過濾試驗用水為原水樣混凝沉淀1 小時后的出水，水質(zhì)參數(shù)如表1 所示。

表1 過濾用水水質(zhì)Tab.1 Quality of the water using for filtration

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 石英砂濾料的制取

將石英原礦破碎、篩分后，取粒徑為0.5mm～1.25mm。 將所選石英砂濾料烘干，從中稱出400g，用一系列不同孔徑的標準篩進行篩析，稱量留在各篩上的砂樣質(zhì)量，計算出過篩百分率，石英砂粒度組成如圖2 所示。

圖1 過濾試驗裝置Fig.1 Filtration tester

圖2 石英砂粒度組成Fig.2 Granularity curve of quartz

由圖2 可知所選石英濾料的不均系數(shù)K80 為：

所以，所選石英砂濾料符合常規(guī)濾料的要求。

3.2 天然沸石濾料的制取

本試驗所用沸石為承德蘑菇峪產(chǎn)斜發(fā)沸石原礦。 經(jīng)巖礦鑒定、X 射線衍射（XRD）和差熱等手段綜合分析，此沸石原礦主要由斜發(fā)沸石、蒙脫石和石英等組成。 與制備石英砂濾料相似，將沸石原礦破碎、篩分后，取粒徑為0.5mm～1.25mm。 稱取天然沸石濾料450g，用一系列不同孔徑的標準篩進行篩析，稱量留在各篩上的沸石質(zhì)量，計算出過篩百分率，沸石濾料粒度組成如圖3 所示。

圖3 沸石粒度組成Fig.3 Granularity curve of zeolite

由圖3 可知所選沸石濾料的不均系數(shù)K80 為：

所選沸石濾料也符合常規(guī)濾料的要求。

3.3 改型沸石濾料的制取

沸石孔穴和通道中存在許多脫附自由的沸石水， 沸石水的多少，可隨外界的溫度和濕度變化而變化，脫水沸石具有極空曠而又相互連通的孔道結(jié)構(gòu)，有更大的內(nèi)表面積；而且經(jīng)過焙燒既可以提高其機械強度又可以加大孔容，增加比表面積，還可以增加陽離子的運動活性，使離子交換進行得更充分。 為增大其吸附量，提高沸石的離子交換性能，將破碎、篩分后的沸石原礦作以下處理：用10%的鹽酸浸泡12 小時，然后用10%的NaCO3溶液中和，清洗，煮沸40 分鐘，烘干后在400℃下焙燒1.5 小時。

3.4 天然沸石、改型沸石、與石英砂過濾對比試驗

經(jīng)過測定所選斜發(fā)沸石原礦的密度為2.57， 與石英砂密度相當，可代替石英砂做第二層濾料。首先進行沸石與石英砂單層濾料對比試驗。 在石英砂、未處理沸石與焙燒后的沸石的裝填高度均為300mm、濾速為10m/h 的條件下進行過濾試驗， 對出水色度、CODMn及硬度進行測定，分析各濾料對各個指標的去除效果，試驗結(jié)果如表2 所示。

表2 沸石與石英砂過濾對比試驗結(jié)果Tab.2 Contrast filtration result between quartz and zeolite

由試驗結(jié)果可以看出石英砂、未處理沸石及焙燒后的沸石三者對要處理水色度的去除效果相當， 對CODMn及硬度的去除率依次增大；焙燒后的沸石對CODMn及硬度的處理效果最好， 去除率可分別達到72.42%和9.75%，兩者均滿足飲用水要求。 這是由于沸石經(jīng)過無機酸處理和高溫焙燒等活化后，清除了沸石孔道內(nèi)的雜質(zhì)，疏通了孔道并重建孔道間的連通，大大提高了天然沸石對CODMn及硬度的去除率。

天然斜發(fā)沸石焙燒前后的掃描電子顯微鏡SEM 照片如圖4 所示。通過對比其顯微結(jié)構(gòu)可知天然斜發(fā)沸石焙燒前后的表面結(jié)構(gòu)有很大的變化，觀察其微觀結(jié)構(gòu)的變化，可以看出，經(jīng)過活化后的沸石顆粒表面的微孔更大，數(shù)量更多，且分布更加均勻，吸附量增大，離子交換能力增強，故處理效果更好。 因此過濾試驗采用焙燒后的沸石作為濾料。

圖4 天然斜發(fā)沸石焙燒前后的SEM 照片（2000 倍）Fig.4 SEM photographs of natural clinoptilolite and baked clinoptilolite (2000 times)

4 結(jié)論

過濾階段是煤礦井下水生產(chǎn)飲用水的關(guān)鍵階段，要求濾料有足夠的機械強度、化學穩(wěn)定性、具有一定的顆粒級配和適當?shù)目障堵?，以及對環(huán)境無污染。 對粒徑0.5mm～1.25mm 的石英濾料、天然沸石濾料以及改性沸石濾料進行過濾試驗研究， 在填料高度均為300mm、 濾速均為10m/h 的條件下，三者對要處理水色度的去除效果相當，對CODMn及硬度的去除率依次增大；焙燒后的沸石對CODMn及硬度的處理效果最好，去除率可分別達到72.42%和9.75%，兩者均滿足飲用水要求。

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