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海水凈化處理技術

隨著沿海地區的發展及淡水資源的匱乏，海水利用技術已成為緩解我國沿海地區和海島水資源短缺、保障水資源可持續利用的必由之路。過濾是海水預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，傳統濾料表面帶負電、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反應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性質，制成具有優良吸附性能和一定機械強度的改性濾料，以提高濾料的截污能力及對某些特殊物質的吸附能力，改善出水水質。改性濾料對水中的重金屬離子、有機物、細菌和病毒等物質均有明顯的去除效果。目前，改性濾料在海水預處理工藝中的應用還鮮見報道。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、有機物、氨氮、總磷的去除效果，為改性濾料在海水預處理工藝中的應用提供參考。

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經預處理的石英砂，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 ℃、轉速130 r/min條件下振蕩72 h，取上清液，經定量濾紙過濾，考察改性濾料對TOC、UV254、濁度、氨氮、磷酸鹽的去除效果。

2 試驗水樣及分析方法
 
2.1 試驗水樣
試驗水樣為天津塘沽近岸海水，加入適量NH4Cl和NaH2PO4用以調節試驗用水的氨氮和磷酸鹽含量，配制海水水質指標如表 1所示。

表1 試驗用海水水質
 

 

 2.2 分析方法、儀器
表面形貌：FEI Quanta-200型環境掃描電子顯微鏡（SEM）；TOC：Analytikjena multi N/C 3100型總有機碳/總氮分析儀；UV254：HACH DR5000型分光光度計；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 試驗結果與分析
 
3.1 改性砂的形貌
通過環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構，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。

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。結果顯示，原海水的UV254為0.060 cm-1，與石英砂相比，經改性砂吸附后的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、含有芳香烴和共軛雙鍵的有機物，改性砂的比表面積增大，有機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。

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電荷，石英砂表面也帶負電荷，兩者存在靜電斥力，懸浮顆粒難以被吸附在石英砂表面，因此未經改性的石英砂對濁度不能達到理想的處理效果。經改性后，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械振動條件下易脫落、溶解，穩定性較差，同時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和溶解態，未經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的磷，經改性后石英砂更具備了吸附作用，對磷有較強的吸附作用，表面涂層能吸附去除海水中的溶解態磷酸根離子，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yangzhchao.com查找詳情

4 結論
經改性后的石英砂，表面結構和性質發生了較大改變，凹凸不平的多孔結構和表面帶的正電荷能提高對海水中帶負電荷顆粒物質的物理、化學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于石英砂，經吸附振蕩72 h后，其最高去除率分別為79.5%、19.3%、28.3%、27.1%、95.7%；改性砂增強了濾料的吸附能力，不僅擴大了改性濾料的應用范圍，而且拓寬了海水凈化工藝的思路，具有一定的研究價值。