改性火山巖濾料去除礦井水中鐵錳離子影響因素研究

1、第3卷 第7期環(huán)境工程學(xué)報(bào)V o l .3,N o.72009年7月Ch i n ese Jour nal of Env iron m enta lEng ineeri n gJ u l.2009改性火山巖濾料去除礦井水中鐵錳離子影響因素研究胡建龍 王春榮 何緒文 卲立南 李 炟 殷 坤 吳 敏(中國礦業(yè)大學(xué)(北京化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京100083摘 要 以改性火山巖濾料作為除鐵除錳的濾料,通過對(duì)模擬礦井水的過濾試驗(yàn),研究了濾速、p H 值、濾層厚度及鐵錳離子濃度對(duì)其除鐵除錳效率的影響。結(jié)果表明:改性火山巖濾料能實(shí)現(xiàn)模擬礦井水中M n 2+的100%去除,效果明顯優(yōu)于未改性火山巖;最為合理的

2、過濾濾速為78m /h ;除鐵除錳的過程主要發(fā)生在濾層厚度為90c m 的上部濾層中;隨著鐵錳濃度的升高,改性火山巖濾料除鐵的效率變化很小,除錳效率呈快速、線性降低;中性或偏堿性的環(huán)境有利于改性火山巖濾料充分發(fā)揮高效吸附去除能力。關(guān)鍵詞 改性火山巖濾料 除鐵除錳 礦井水 回用中圖分類號(hào) X703 1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673 9108(200907 1199 04Study on i nfl uenci ng factors of m odifi ed lava m edia for iron andmanganese re m oval fro m m i ne waterH u

3、Jianlong W ang Chunrong H e Xuw en Shao L i n an L iDa Y in Kun W u M i n(S chool ofCh e m ical and Environm en t al Engineeri ng ,C h i na Un i versity ofM i n i ng and Technology (B eiji ng,B eiji ng 100083,Ch i n aAbst ract M odified lava m ed i a w as studied as the filter m edia f o r iron and

4、m anganese re m oval fro m m i n ew ater .By filtration tes,t the effects o f p H,he i g ht of filter bed ,concentrati o n o f iron and m anganese and filtrati o nvelocity on ir on and m anganese re m ova l efficiency w ere studied .The resu lts sho w ed that the M n 2+re m ova l effi ciency of modi

5、fied lava m ed ia ,cou l d reach 100%,w hich w asm uch better than the non m od ified lava m edia .The m ost pr oper filtra ti o n ve l o c ity w as about 78m /h.The wo r k he i g htw as the reg ion of above 90c m of filter bed .And the re m oval efficiency of iron changed sli g htly ,but the re m o

6、val effic iency o fm anganese ion decreased rap i d l y w ith t h e i n creasi n g o f iron andm anganese concentrati o n .The opti m u m pH cond iti o n wh ich is good for iron and m anganese re m oval is bet w een neutra l and alka li n e .K ey w ords m od ified lava m edia ;re m oval of iron and

7、m anganese ;m ine w ater ;w ater reuse 基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50678172收稿日期:2008-09-28;修訂日期:2008-12-09作者簡(jiǎn)介:胡建龍(1986,男,碩士研究生,主要從事水污染控制方面的研究工作。E m ai:l hu jian l w j 126.co m我國礦井水的排放具有量大、面廣、利用率低的特點(diǎn),其中高鐵高錳礦井水占60%1,要實(shí)現(xiàn)礦井水的資源化,首要解決的問題就是去除礦井水中的鐵錳離子。傳統(tǒng)的過濾除鐵除錳工藝中所使用的石英砂、錳砂濾料存在諸多缺點(diǎn),如啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng),處理效率較低等2。改性濾料是近年來濾料研究的新熱點(diǎn)

8、,它是通過對(duì)載體濾料進(jìn)行表面改性后制得的濾料,比原載體濾料具有更強(qiáng)的吸附去除能力。本試驗(yàn)以改性火山巖濾料作為礦井水去除鐵錳離子的一種新型濾料,研究了動(dòng)態(tài)過濾條件下濾速、pH 、濾層厚度及鐵錳離子濃度對(duì)其除鐵除錳效率的影響。1 材料、試驗(yàn)裝置及方法1.1 改性火山巖濾料及其制備火山巖是火山噴發(fā)后巖漿瞬間冷凝形成的,具有耐磨、比表面積大的優(yōu)點(diǎn),本試驗(yàn)所用的火山巖濾料是經(jīng)過篩分后,粒徑介于0 450 90mm 的火山巖顆粒。經(jīng)掃描電鏡 X 射線能譜儀(SE M EDS分析后,得其主要的元素組成及其原子含量百分比分別為:O (62 8%、N a (3 63%、M g (1 97%、A l (6 68%

9、、S i(17 07%、K (0 70%、Ca(2 71%、T i(0 64%和Fe(4 11%。改性火山巖濾料的制備:向經(jīng)過預(yù)處理的火山巖濾料中,加入一定體積的1m o l/L 的Fe(NO 33溶液,攪拌均勻后,快速攪拌再加入一定體積的環(huán)境工程學(xué)報(bào)第3卷 3m ol/L 的KOH 溶液,置于100 的烘箱中烘干。通過一定技術(shù)手段保證氫氧化鐵均勻涂布在火山巖表面。最后將制得濾料置于馬弗爐中,于400 下烘烤2h 。然后用去離子水將改性濾料表面粘附不牢固的部分洗去后烘干備用。1.2 試驗(yàn)裝置為了研究各因素對(duì)改性火山巖過濾除鐵除錳效果的影響,過濾試驗(yàn)采用的濾柱內(nèi)徑為30mm,過濾裝置如圖1所示。

10、 圖1 過濾裝置圖F i g .1 D i agra m o f filter1.3 試驗(yàn)方法過濾試驗(yàn)中,通過在不同高度的取樣口取樣,測(cè)定不同濾層厚度處鐵錳離子去除效率。通過調(diào)整恒流泵流量的大小,可以控制過濾濾速。測(cè)定不同濾速條件下出水中的鐵錳離子濃度。試驗(yàn)所用的原水為試驗(yàn)室配制的模擬礦井水,配水水質(zhì)參照高鐵高錳礦井水經(jīng)混凝沉淀預(yù)處理后的水質(zhì)。通過調(diào)整原水的pH 值、總鐵及M n 2+的濃度,研究進(jìn)水中pH 值、鐵錳離子濃度不同時(shí)的改性火山巖除鐵除錳效率。2 結(jié)果與討論2.1 改性前后火山巖除鐵除錳效果對(duì)比試驗(yàn)所用的模擬礦井水的水質(zhì)如下:總鐵濃度2 412 59m g /L ,M n 2+濃度

11、0 931 04m g /L ,pH 值7 417 51,濁度15 117 7NTU,溫度2025 。改性前后除鐵除錳效果對(duì)比試驗(yàn)所采用的濾層厚度為90c m,濾速為7m /h 。火山巖改性前后的除鐵除錳效果如圖2和圖3所示。改性后火山巖在過濾進(jìn)行的前15h 內(nèi)對(duì)水中總鐵的去除效果要稍差于未改性火山巖,15h 后其去除率也能達(dá)到95%以上。改性火山巖的除錳效果則明顯優(yōu)于未改性火山巖,在過濾進(jìn)行的前6h 內(nèi),能實(shí)現(xiàn)水中M n 2+的100%去除,隨著過濾時(shí)間的增加,改性火山巖濾料對(duì)M n 2+的吸附能力逐漸降低。改性后,火山巖濾料的表面穩(wěn)定性雖有所降低,致使其除鐵效果稍差于未改性火山巖,但其表面

12、吸附能力顯著提高,能實(shí)現(xiàn)對(duì)M n 2+的高效吸附。2.2 濾速對(duì)過濾效果的影響工藝上,礦井水過濾除鐵除錳常用濾速為710m /h 。分別在過濾濾速為7、8、9和10m /h 的條件下考察過濾濾速對(duì)改性濾料除鐵除錳的影響。試驗(yàn)進(jìn)水中,總鐵濃度為5 07mg /L ,M n 2+濃度為2 16m g /L ,pH 為7 47,濁度為15 2NTU 。圖4和圖5所示分別為不同濾速條件下改性濾料除鐵、除錳效率隨時(shí)間的變化。從圖4中可以看出,濾速增加對(duì)于改性濾料除鐵效果無明顯影響。由圖5可知,在相同的鐵錳離子濃度的條件下,濾速為9m /h 和10m /h 時(shí),改性濾料除錳的效率下降的趨勢(shì)很快。濾速為7m

13、 /h 和8m /h 時(shí),改性濾料除錳的效率相對(duì)較為接近,下降趨勢(shì)較為平緩,因此,最為經(jīng)濟(jì)合理的過濾濾速為78m /h 。由于濾速的提高,可以使改性濾料表面快速達(dá)到吸附飽和,當(dāng)濾料表面吸附點(diǎn)位減少后,其吸附除錳的效率有所降低。此外,過高的濾速使改性濾料的吸附能力得不到充分發(fā)揮。1200第7期胡建龍等:改性火山巖濾料去除礦井水中鐵錳離子影響因素研究 2.3 p H 值對(duì)過濾效果的影響試驗(yàn)中通過向原水中添加0 5%的H C l 和0 5%的NaOH 溶液,調(diào)節(jié)進(jìn)水配水的p H 值,分別比較在p H 為3 53、7 47和9 51時(shí),過濾2h 后的鐵錳去除效率,試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。進(jìn)水的濾速為7m

14、/h ,濾層厚度為90c m 。表1 不同pH 值條件下改性火山巖濾料除鐵除錳效果比較Tab le 1 Co m parison of iron and man ganese re movaleffic i ency be t w een d ifferent p H配水pH 值總鐵去除率(%錳去除率(%3.53析出2.77.47821009.5197100由表1可知,通過在火山巖表面涂鐵的氧化物制得的該改性濾料,當(dāng)pH 值為3 53時(shí),其表面穩(wěn)定性明顯降低,出水中總鐵的濃度高于原水,且由于水中H +的競(jìng)爭(zhēng)作用,M n 2+的去除效率也顯著降低。p H 為7 47和9 51時(shí),總鐵去除率有所提

15、高,且均能實(shí)現(xiàn)M n 2+的100%去除。因此,該改性濾料在中性或偏堿性的環(huán)境下有利于發(fā)揮高的鐵錳離子去除能力。2.4 濾層厚度對(duì)過濾效果的影響濾層厚度影響試驗(yàn)中所用的原水水質(zhì)與改性前后除鐵除錳效果對(duì)比試驗(yàn)所采用的模擬礦井水水質(zhì)一致。濾速為7m /h ,接近實(shí)際工藝中常用濾速。不同濾層厚度處,改性火山巖濾料的除鐵效率、除錳效率如圖6和圖7所示。從圖6和圖7可知,改性濾料的除鐵除錳效率并不是隨著濾料濾層厚度的增加而線性增加的。隨著濾料濾層厚度的增加,除鐵除錳效率增加的幅度逐漸降低。在過濾時(shí)間達(dá)到15h 后,濾層厚度為60、90和120c m 處的除鐵效率十分相近。在24h后,不同濾層厚度的除鐵效

16、率幾近一致。90c m 與120c m 處的除錳效率接近,6h 之后,這2個(gè)濾層厚度處的除錳效率呈線性降低?？傮w上90c m 與120c m 處的除鐵除錳效率十分接近,改性濾料對(duì)水中鐵錳離子的去除作用主要發(fā)生在濾層厚度90c m以上的濾層中。1201環(huán)境工程學(xué)報(bào)第3卷2.5 鐵錳離子濃度對(duì)過濾效果的影響鐵錳離子濃度影響試驗(yàn)中所用的進(jìn)水為試驗(yàn)室配制的鐵錳離子濃度分別為負(fù)荷、負(fù)荷!、負(fù)荷的配水,不同負(fù)荷對(duì)應(yīng)鐵錳離子濃度如表2所示。過濾濾速為7m/h。表2 不同負(fù)荷水質(zhì)表T ab le2 W ater quality of differen t iron andm anganese l oad i

17、ng負(fù)荷總鐵濃度(mg/LM n2+濃度(mg/LpH負(fù)荷2.59 1.047.51負(fù)荷!5.07 2.167.47負(fù)荷7.31 2.977.41不同負(fù)荷條件下的過濾試驗(yàn)中,改性火山巖濾料對(duì)總鐵的去除效率、對(duì)M n2+的去除效率如圖8和圖9所示。礦井水中溶解氧含量很高,接近飽和3,礦井水中的二價(jià)鐵離子在排出礦井過程很容易被溶解氧氧化為三價(jià)。三價(jià)鐵離子在p H為3 5時(shí)就可以開始沉淀4,因此對(duì)于高濃度的鐵離子來說,大部分被氧化沉淀形成Fe(OH3而被截留去除。少量未被氧化的二價(jià)鐵離子則可被濾料的表面吸附能力所吸附去除。從圖8上看,雖然鐵錳離子濃度不同,但當(dāng)濾料過濾穩(wěn)定后,改性濾料對(duì)于鐵離子的去除

18、率能達(dá)到95%以上,可見改性濾料不僅具備較好的截留去除Fe(OH3的能力,而且其吸附能力也能保證水中未氧化的Fe2+的去除。水中M n2+難以被水中溶解氧氧化5,而通過過濾截留去除。改性濾料對(duì)于水中錳離子的去除作用在短的過濾時(shí)間內(nèi)主要依靠濾料表面的表面吸附作用。從圖9上可以看出,在過濾開始的2h內(nèi),對(duì)M n2+的去除率接近100%,在這一階段濾料表面的吸附點(diǎn)位還未達(dá)到飽和,M n2+可以被完全的吸附。過濾開始2h后,不同污染負(fù)荷下改性濾料表面逐漸趨于飽和,錳離子濃度越高,其M n2+去除率呈線性降低的速度越快。在過濾開始7h后,負(fù)荷!和負(fù)荷的去除率又接近一致,改性濾料對(duì)M n2+的去除效果接近飽和。3 結(jié) 論(1改性火山巖濾料的除錳效果明顯優(yōu)于未改性火山巖,能實(shí)現(xiàn)水中M n2+的100%去除,但其除鐵效果稍差于未改性火山巖。(2改性火山巖濾料除鐵除錳最為經(jīng)濟(jì)合理的過濾濾速為78m/h。該