石英砂濾料表面改性及其過濾除油性能研究.pdf

1、含油廢水是一種量大面廣的工業(yè)廢水，其成分復(fù)雜，濃度范圍大，對環(huán)境有著各種不同的危害。過濾通常用于含油廢水二級處理或深度處理單元，對低濃度含油廢水有較好的處理效果。一般來講，若濾料的疏水性弱，則處理效果就差，反之，若疏水性強，則處理效果就好。石英砂濾料是一種廉價易得、機械強度大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的無機硬質(zhì)顆粒濾料，但是疏水性較弱，對油的去除效果還有較大的提升空間。因此，本文提出了利用鈦酸酯偶聯(lián)劑DN101、硅烷偶聯(lián)劑KH550和鋁酸酯偶聯(lián)劑D

2、L411等改性劑對石英砂濾料進行表面改性的新方法。由于偶聯(lián)劑具有親無機基團和長鏈有機基團兩種不同性質(zhì)的官能團，親無機官能團能與石英砂濾料表面的羥基發(fā)生縮合反應(yīng)，可將長鏈有機官能團接枝到石英砂濾料表面，從而增加表面的疏水性，提高其除油效率。最終改性了幾種以處理含油廢水為目標(biāo)的疏水性濾料。
　　利用 DN101、KH550和 DL411分別對石英砂濾料濕法改性，制得疏水性濾料MQW-Ti、MQW-Si和 MQW-Al，利用 DN101

3、對石英砂濾料干法改性，制得疏水性濾料 MQD-Ti，利用 DN101和 KH550對石英砂濾料復(fù)合干法改性，制得疏水性濾料MQD-TiSi。以水對濾料的潤濕接觸角為指標(biāo)，分別考察了不同改性劑和改性方法對濾料潤濕性的影響，確定了 MQW-Ti、MQW-Si、MQW-Al、MQD-Ti和 MQD-TiSi五種疏水性濾料的最佳制備條件。結(jié)果表明，改性劑的用量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間對改性效果具有影響，其中，改性劑的用量影響效果最大。改性后，水對濾

4、料的接觸角未改性石英砂濾料（UQS）的40.1°分別上升到80.6°～89.0°，其疏水性顯著增強。
　　利用掃描電鏡分析、紅外光譜分析、X射線光電子能譜分析以及比表面積分析，研究濾料改性前后的表面物理化學(xué)結(jié)構(gòu)，從機理上研究濾料表面改性的物理化學(xué)過程。結(jié)果表明，改性后石英砂濾料的表面被偶聯(lián)劑均勻覆蓋，其中，濕法改性的表面更光滑，減小了濾料表面的粗糙度，干法改性的表面有大量的細(xì)微顆粒，增加了濾料表面的粗糙度。改性后濾料表面含有Si—

5、O—Ti、Si—O—P、Si—O—Si和Si—O—Al等化學(xué)鍵，為石英砂濾料表面羥基與偶聯(lián)劑縮合反應(yīng)形成的化學(xué)鍵，證明了偶聯(lián)劑以化學(xué)鍵的形式接枝到了濾料表面。偶聯(lián)劑有機官能團與濾料表面的結(jié)合強度大，濾料的穩(wěn)定性較好。經(jīng)過表面改性，濾料表面被引入C—H和C—C等有機官能團，Si元素含量降低，C和O元素含量增加。
　　研究了濾料的潤濕性。理論上，利用靜態(tài)重量法測定濾料表面的潤濕性，可以消除濾料填充床有效水力粒徑rd對測定結(jié)果的影響。在

6、粒徑為0.6mm，接觸角為50°時，液體的理論平衡時間為130s，與實驗數(shù)據(jù)一致，實驗方法可行，數(shù)據(jù)可靠。環(huán)己烷對6種濾料均為完美潤濕液，潤濕接觸角等于0；水對濾料的潤濕接觸角均大于0，在此基礎(chǔ)之上，推導(dǎo)了水對濾料表面潤濕接觸角的理論計算公式，并用于石英砂濾料的表面潤濕性研究：
　　此處為公式
　　濾料表面的官能團決定了濾料表面的潤濕性。6種濾料的水的接觸角大小為：MQW-Ti>MQW-Si>MQD-Ti>MQD-TiSi>

7、MQW-Al>UQS。MQW-Ti和MQD-Ti表面接枝了非極性基團長鏈烷基—C17H35和—C8H17，減小了濾料表面的Si含量，表面自由能的極性成分減小，增大了水的接觸角。MQW-Si接枝的—NH2(CH2)3有機基團非極性弱于長鏈烷基，其水的接觸角小于MQW-Ti。MQW-Al表面接枝了有機基團—OCOR＇，降低了石英砂濾料表面自由能的極性成分，增大了水的潤濕接觸角，但是其改性效果不如DN101和KH550好，應(yīng)該與DL411的—

8、OCOR＇有機基團有關(guān)。與濕法改性相比，干法改性接枝在濾料表面的偶聯(lián)劑量少，對應(yīng)的水的潤濕接觸角小。
　　采用1stopt軟件進行曲線擬合，估算了濾料表面自由能，曲線擬合法的R2均大于0.99，擬合程度高，實驗方法可行，計算數(shù)據(jù)可靠。UQS的表面自由能最高，其極性成分為53.0 mJ/m2，其中，非極性成分為31.0 mJ/m2，極性成分為22.0 mJ/m2。改性后濾料的的表面自由能減小，其大小順序與水的接觸角一致。MQW-Ti

9、、MQW-Si、MQW-Al、MQD-Ti、MQD-TiSi的表面自由能極性及非極性成分分別為：2.4 mJ/m2、2.9 mJ/m2、4.2 mJ/m2、3.4 mJ/m2、3.9 mJ/m2和28.9 mJ/m2、29.0 mJ/m2、32.3 mJ/m2、29.7 mJ/m2、30.9 mJ/m2。
　　實驗室模擬了含油廢水的過濾和反沖洗過程。根據(jù)修正后的軌跡模型，含油廢水過濾過程油珠粒徑在1.3μm左右的接觸效率最低，粒徑

10、增大或減小都有利于油珠顆粒與濾料表面的接觸。在含油廢水油珠粒徑相同時，濾料改性前后單一收集器的接觸效率不變，但MQW-Ti、MQW-Si、MQW-Al、MQD-Ti和MQD-TiSi的附著效率較UQS的0.48增加到了0.94、0.89、0.55、0.86和0.57。濾床深度越大，或者濾速越低，含油廢水的過濾效率越高。根據(jù)擴展DLVO理論，在黏附油珠位于第二極小勢能處，濾料表面自由能的酸性成分和堿性成分越小，或者水的接觸角越大，ΔGTO

11、T（負(fù)值）的絕對值越大，其關(guān)系式為：
　　此處為公式
　　結(jié)合脫附理論、擴展的DLVO理論和 vOCG理論，水的接觸角、濾速和脫附的油珠最小粒徑三者的半經(jīng)驗公式為：
　　此處為公式
　　在流速4m/h時，UQS、MQW-Ti、MQW-Si、MQW-Al、MQD-Ti和MQD-TiSi濾床脫落的油珠最小粒徑分別為0.82μm、1.31μm、1.29μm、1.24μm、1.27μm和1.26μm，說明改性后黏附的油珠

12、更不容易脫落，從而增大了油的去除效率。
　　在反沖洗強度為26.9 L/（s·m2）時，UQS的反沖洗效率最高，達到87.6％，其次是MQD-TiSi，為82.8%，效率最低的是MQD-Ti，為78.4%。由于水流剪切作用導(dǎo)致黏附在濾料表面的油珠顆粒發(fā)生滾動，在反沖洗時UQS、MQD-Ti和MQD-TiSi脫附油珠的最小粒徑分別為0.248μm、0.385μm和0.381μm。對于含油廢水而言，粒徑小于0.4μm的油珠顆粒很少，因