海水凈化處理技術(shù)

隨著沿海地區(qū)的發(fā)展及淡水資源的匱乏，海水利用技術(shù)已成為緩解我國沿海地區(qū)和海島水資源短缺、保障水資源可持續(xù)利用的必由之路。過濾是海水預(yù)處理過程中的重要工序，濾料是影響過濾效果的重要因素之一。海水過濾中常用的濾料為石英砂，其具有耐酸堿、耐磨、耐熱等性能。但是，傳統(tǒng)濾料表面帶負(fù)電、比表面積小、表面吸附容量低，對海水中污染物的去除效果不是很理想。

改性濾料是指在載體濾料的表面通過化學(xué)反應(yīng)附著不同功能的改性劑，從而改變原濾料顆粒表面物理化學(xué)性質(zhì)，制成具有優(yōu)良吸附性能和一定機(jī)械強(qiáng)度的改性濾料，以提高濾料的截污能力及對某些特殊物質(zhì)的吸附能力，改善出水水質(zhì)。改性濾料對水中的重金屬離子、有機(jī)物、細(xì)菌和病毒等物質(zhì)均有明顯的去除效果。目前，改性濾料在海水預(yù)處理工藝中的應(yīng)用還鮮見報(bào)道。本研究以石英砂為載體，制備出6種改性砂，考察其對海水中濁度、有機(jī)物、氨氮、總磷的去除效果，為改性濾料在海水預(yù)處理工藝中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法
 
1.1 改性砂的制備方法
 
1.1.1 石英砂的預(yù)處理
采用篩分儀篩選出粒徑0.6~1.0 mm的石英砂，用蒸餾水清洗干凈，置于105 ℃烘箱中烘干；在1 mol/L的HCl中浸泡48 h，浸泡過程采用磁力攪拌器攪拌，以增加吸附表面積；浸泡完成后重復(fù)上述洗凈、烘干過程，冷卻至常溫放入封閉容器，待用。

1.1.2 改性砂的制備
分別將氯化鋁、硝酸鐵、氯化錳、硝酸鎂配制成1 mol/L的溶液，各取250 mL，加入一定量2.5 mol/L的NaOH溶液，使之成為懸濁液。在4種懸濁液中分別加入400 g經(jīng)預(yù)處理的石英砂，于70 ℃攪拌浸泡24 h，然后于105 ℃烘干，最后用蒸餾水洗凈烘干，即為鋁改性砂、鐵改性砂、錳改性砂、鎂改性砂。

在石英砂表面涂鋁涂層和錳涂層的基礎(chǔ)上，再分別涂上硝酸鐵和硝酸鎂改性劑，即為鋁鐵改性砂和錳鎂改性砂。

1.2 試驗(yàn)方法
分別稱取原砂和6種改性砂各40 g放入含 200 mL待處理海水的錐形瓶中，用封口膜封口。置于恒溫振蕩器中，在溫度25 ℃、轉(zhuǎn)速130 r/min條件下振蕩72 h，取上清液，經(jīng)定量濾紙過濾，考察改性濾料對TOC、UV254、濁度、氨氮、磷酸鹽的去除效果。

2 試驗(yàn)水樣及分析方法
 
2.1 試驗(yàn)水樣
試驗(yàn)水樣為天津塘沽近岸海水，加入適量NH4Cl和NaH2PO4用以調(diào)節(jié)試驗(yàn)用水的氨氮和磷酸鹽含量，配制海水水質(zhì)指標(biāo)如表 1所示。

表1 試驗(yàn)用海水水質(zhì)
 

 

 2.2 分析方法、儀器
表面形貌：FEI Quanta-200型環(huán)境掃描電子顯微鏡（SEM）；TOC：Analytikjena multi N/C 3100型總有機(jī)碳/總氮分析儀；UV254：HACH DR5000型分光光度計(jì)；濁度：HACH 2100P型濁度儀；氨氮：納氏試劑比色法；磷酸鹽：鉬銻抗分光光度法。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析
 
3.1 改性砂的形貌
通過環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察石英砂與改性砂的表面形貌，可以看出，石英砂表面平滑，有少量的凹槽，比表面積小。改性砂表面形成堆積物，呈凹凸不平的多孔結(jié)構(gòu)，并且完全被改性劑覆蓋，這種表面形貌的變化造成了比表面積和吸附性能的差異，使得改性砂更容易吸附水體中的物質(zhì)。

3.2 改性砂對TOC的吸附效果
圖 1為石英砂與改性砂對海水中TOC的去除效果，橫坐標(biāo)中的1、2、3、4、5、6、7分別代表石英砂、鋁改性砂、鐵改性砂、鋁鐵改性砂、錳改性砂、鎂改性砂及錳鎂改性砂。

 

 圖 1 7種砂對TOC的去除效果

石英砂TOC的去除率為2.2%，改性砂對TOC的去除率提高了10%以上，其中鋁改性砂、鐵改性砂、錳改性砂及錳鎂改性砂對TOC的去除效果較好，去除率分別為17.9%、19.3%、19.3%、16.8%。

3.3 改性砂對UV254的吸附效果
對比了石英砂與改性砂對海水中UV254的去除效果。結(jié)果顯示，原海水的UV254為0.060 cm-1，與石英砂相比，經(jīng)改性砂吸附后的UV254去除率略有提高，鋁鐵改性砂、鎂改性砂及錳鎂改性砂的去除率均為28.3%，比石英砂增加了5%左右。UV254反映了水中腐殖質(zhì)、含有芳香烴和共軛雙鍵的有機(jī)物，改性砂的比表面積增大，有機(jī)物吸附在表面的金屬氧化物涂層及凹凸不平的孔隙中，因此吸附能力有所增強(qiáng)。

3.4 改性砂對濁度的去除效果
圖 2為石英砂與改性砂對海水中濁度的去除效果。

 

 圖 2 7種砂對濁度的去除效果

由圖 2可以看出，鋁改性砂、錳改性砂、鎂改性砂、錳鎂改性砂對濁度的去除率在60%以上，剩余濁度在2.0 NTU以下；鐵改性砂、鋁鐵改性砂對濁度的去除效果較差，剩余濁度分別為3.56、3.27 NTU。海水中的懸浮顆粒大多帶負(fù)電荷，石英砂表面也帶負(fù)電荷，兩者存在靜電斥力，懸浮顆粒難以被吸附在石英砂表面，因此未經(jīng)改性的石英砂對濁度不能達(dá)到理想的處理效果。經(jīng)改性后，鋁改性砂、錳改性砂、鎂改性砂、錳鎂改性砂表面帶正電荷，對懸浮顆粒有較強(qiáng)的吸附作用，因此對濁度有較高的去除率。鐵改性砂、鋁鐵改性砂雖然表面也帶負(fù)電荷，但對濁度的去除效果較差，主要是含鐵成分的改性劑在機(jī)械振動條件下易脫落、溶解，穩(wěn)定性較差，同時(shí)增加了海水中的色度。

3.5 改性砂對氨氮的去除效果
圖 3為石英砂與改性砂對海水中氨氮的去除效果。

 

 圖 3 7種砂對氨氮的去除效果

由圖 3可以看出，石英砂對氨氮的去除率為15.3%，改性砂對氨氮的去除率均有所提高，其中鐵改性砂和錳鎂改性砂對氨氮的去除效果最好，去除率分別為27.1%和25.5%，比石英砂提高了10%左右。改性砂具有較大的比表面積和很強(qiáng)的離子交換能力，對水中銨離子有較大的吸附交換容量。

3.6 改性砂對磷的去除效果
圖 4為石英砂與改性砂對海水中總磷的去除效果。

 

 圖 4 7種砂對總磷的去除效果

由圖 4可以看出，鐵改性砂、鋁鐵改性砂對總磷具有較好的去除效果，去除率分別為80.9%、79.7%，吸附后海水中總磷質(zhì)量濃度低于0.2 mg/L；鋁改性砂、錳改性砂、鎂改性砂、錳鎂改性砂對總磷的去除率有所降低，分別為51.2%、41.6%、44.4%、40.6%；在相同的條件下，上述6種濾料對總磷的去除率從大到小依次為鋁鐵改性砂、鐵改性砂、鋁改性砂、鎂改性砂、錳改性砂、錳鎂改性砂。海水中的磷主要包括顆粒態(tài)和溶解態(tài)，未經(jīng)改性的石英砂在過濾工藝中只能通過截留與黏附作用去除顆粒態(tài)的磷，經(jīng)改性后石英砂更具備了吸附作用，對磷有較強(qiáng)的吸附作用，表面涂層能吸附去除海水中的溶解態(tài)磷酸根離子，在截留、黏附與吸附的共同作用下，改性砂對磷有較好的去除效果。具體參見m.tax-pages.com查找詳情

4 結(jié)論
經(jīng)改性后的石英砂，表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生了較大改變，凹凸不平的多孔結(jié)構(gòu)和表面帶的正電荷能提高對海水中帶負(fù)電荷顆粒物質(zhì)的物理、化學(xué)吸附能力和攔截過濾效果；改性砂對海水中濁度、TOC、UV254、氨氮、總磷的去除效果均優(yōu)于石英砂，經(jīng)吸附振蕩72 h后，其最高去除率分別為79.5%、19.3%、28.3%、27.1%、95.7%；改性砂增強(qiáng)了濾料的吸附能力，不僅擴(kuò)大了改性濾料的應(yīng)用范圍，而且拓寬了海水凈化工藝的思路，具有一定的研究價(jià)值。