[发明专利]一种多元铁覆膜砂

说明书

技术领域

本发明属于过滤材料领域，涉及一种多元铁覆膜砂。

背景技术

随着工业的发展和人类活动的增加，各类废水和生活污水排向天然水体，我国大部分城镇饮用水源受到污染，其中，有机污染物的急剧增加导致了致癌、致畸、致突变的潜在威胁，给城市给水和工业用水带来了一系列的问题，水源污染的现状已经给供水行业提出了新的挑战。我国给水处理厂大多仍采用20世纪初形成的混凝、沉淀、过滤和加氯消毒的常规工艺。对水中悬浮态和胶体态有机物去除率极高，达90％以上，而对溶解态有机物去除率极低，尤其是小分子有机物的去除效率很低。通常在传统工艺中采用投加活性炭的方式去除水中有机污染物质，包括颗粒活性炭和粉末活性炭，但是颗粒活性炭基建投资大，并可能发生解吸问题，形成二次污染，而粉末活性炭使用灵活、方便，但运行费用较高。铁覆膜砂（Iron-Oxide-Coated Sand，IOCS）是一种将铁氧化物涂抹在石英砂上制成的新型吸附过滤材料，同时具有石英砂和铁氧化物的吸附特性，能有效去除水中的重金属离子、有机质、细菌和病毒等有毒有害物质。这种滤料与活性炭相比，具有投资较小，操作简单易行的优点。

铁氧化物及其水合物对水中多种污染物质（如重金属离子、有机物、细菌或病毒、浊度、色度、油污、磷酸盐、放射性污染物等）都具有较好的吸附去除能力。Benjamin等人将铁氧化物涂到石英砂表面上，制成铁覆膜砂，使铁氧化物易于从处理后的水中分离出来，使其应用于给水处理成为可能。其后，Edwards和Chang等人进行了大量的开拓性工作，将IOCS用于各种金属和非金属污染物质的吸附。Edwards等人用铁氧覆膜砂粒柱进行了吸附Pb²⁺、Cd²⁺、Cu²⁺、Ni²⁺和Cr³⁺的吸附实验，结果表明：对进水中溶解态的重金属离子Pb²⁺（5.2mg/ L）、Cd²⁺（2.8mg/ L）、Cu²⁺（3.2mg/ L）、Ni²⁺（2.9mg/ L）、Cr³⁺（2.6mg/ L），在pH = 8.5 时几乎可以全部除去，而石英砂的去除率极低；对于氨络合态的重金属离子（浓度同上），铁覆膜砂粒柱在处理40 倍的滤床体积的水时，几乎可以去除全部的络合态重金属离子，而石英砂几乎没有去除效果。对颗粒态的重金属物质，在高水力负荷条件下（12.24m³·m^-2·h），石英砂粒柱和铁覆膜砂粒柱都有70％的去除率，但石英砂的吸附去除能力迅速降低。与石英砂粒柱相比，铁覆膜砂粒还可以增加滤床的运行时间，降低冲洗频率；冲洗时，先用水反冲，再用酸液（pH=3）使柱中介质再生。实验表明，IOCS表面粘附的少量解吸不彻底的金属并不影响下一个运行阶段的去除效率。Chang等人利用铁覆膜砂进行去除有机物研究，发现在中性条件下，铁覆膜砂可有效吸附天然有机物（NOM），其它一些阴、阳离子的存在对吸附NOM的容量没有任何影响。他们认为，铁覆膜砂也是去除NOM的有效吸附剂，但只有在酸性条件下效果较好。LuKasik 等人将1kg覆膜滤料放入柱内（体积为0.7L），30天试验结果显示中其对水中的大肠杆菌、霍乱弧菌、脊髓灰质炎病毒1、大肠菌噬体MS-2去除效率一直保持在99％以上。此外，覆膜砂滤料还可以去除原水中的肠形细菌和大肠菌噬体。

铁覆膜砂具有比表面积大、表面吸附点位多、中性pH条件下带正电荷等特性，能有效满足去除水中重金属阳离子、阴离子、有机物及病原菌等污染物。但是研究中发现，IOCS的吸附性能在不同的pH条件下差异很大（即具有pH-dependent特性），在酸性条件下对有机物的吸附能力强，中性和碱性条件下弱。而且对不同的污染物质的吸附表现出较大的差异，对CrO42-和NOM等负电性物质吸附效果不如带正电的重金属理想。针对现有IOCS过滤材料在中性条件下对水中的溶解性有机污染物（DOM）去除效率低的不足，本发明在IOCS中添加少量具有较强吸附性能的物质活性炭，并通过制备条件的优化（添加物质的活化温度、添加物质与铁泥的配比、制备多元铁覆膜砂的焙烧时间和焙烧温度等因素），制成新型的多元铁氧覆膜砂，改善石英砂表面覆膜的吸附性能，从而提高铁覆膜砂的吸附容量和拓宽其吸附适用的条件，解决现有单元铁覆膜砂存在的不足。

发明内容