特定磁化强度Fe3O4颗粒处理高浊度原水

付甫刚,尹红军

(1.重庆工商大学环境保护研究所,重庆400015;2.重庆市市政设计研究院,重庆400020)

净水厂一般以地表水为取水源,受自然环境的影响,原水的浊度可能变得很高,高浊度会增加传统的混凝沉淀处理设施的处理负荷,导致混凝工序的后续工序过滤工序的负荷增加,造成滤池滤程缩短、反冲洗频率增加等问题,甚至会使得净水厂的出水水质不符合自来水水质标准,净水厂被迫减量供水甚至停止供水,严重影响居民和工业用水的供应。要避免净水厂净水功能全面停摆事件发生,除了需就集水区整治、水库管理等降低原水浊度等治本之道进行努力外,必须提升净水厂处理高浊度原水的能力。

近年来磁性分离技术逐渐受到废水处理领域之重视,该技术能有效去除水中的颗粒、油污、重金属以及有机物,此技术是利用磁性颗粒与水中的污染物结合,再利用磁场对磁性颗粒的磁力作用将污染物与水进行分离[1]。

磁性颗粒的种类繁多,主要有铁、钴、镍等铁磁性的金属颗粒及某些特定形态的铁氧化物。在实际应用中,以Fe3O4及γ-Fe2O3两种铁氧化物最为常见。

磁性颗粒的加入对于水中的悬浮微粒有三种作用,成核效应(Nucleation effect)、絮聚效应 (Aggregation effect)与加重效应(Weighting effect)。以下分别讨论之:

(1)成核效应

由化学共沉淀法合成Fe3O4,其粒径大小可达100 nm左右,因此易分散于水溶液中并与悬浮粒子碰撞结合,形成紧密度较高之胶体,并且胶体表面带正电,水中大部分悬浮物的表面带负电,电荷极性不同会产生静电吸附引力,从而形成较大胶体颗粒,达到去除水中悬浮物的目的,由于Fe3O4微粒在这个过程起重要作用,故称此效应为成核效应。

(2)絮聚效应

由于磁性颗粒具有磁性,以其为核心所形成的胶体也具有磁性,在水中胶体会因磁力作用相互碰撞团聚变大,此效应为絮聚效应。

(3)加重效应

由于 Fe3O4微粒比重较一般悬浮微粒重 (约4.9～5.2 g/cm3),故以其为核心所形成的胶体密度也会增加,此效应为加重效应。加重效应可增加胶体的沉降速度,更易与水分离。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料制备

(1)Fe3O4磁性颗粒

以化学共沉淀法合成[2],合成程序如图1所示。

图1 Fe3O4磁性颗粒合成程序图

(2)高浊度原水

本研究所采用之高浊度原水,利用底泥与碳酸氢钠调配而成。调配方法为将适量底泥与少量NaHCO3(buffer)充分混合,并以去离子水定量后剧烈搅伴,即可得不同浊度之高浊度原水。

1.2 研究方法

采用3000 Guass的磁化强度处理 Fe3O4磁性颗粒,再对不同浊度的污水进行处理,研究磁性颗粒添加量对原水浊度的去除效果;在磁性颗粒添加量确定的情况下,研究原水浊度对磁性颗粒浊度去除效果的影响;在磁性颗粒和浊度确定的情况下,研究外加磁场强度对磁性絮聚效果的影响;在其它条件确定的情况下,研究水质条件对磁性絮聚效果的影响[3]。

2 结果与讨论分析

2.1 磁性颗粒剂量对磁性絮聚效果的影响

磁化强度为3000 Guass磁性颗粒在进行高浊度原水处理时,合理确定磁性颗粒的添加量显得格外重要:添加过少导致絮聚效果不理想,不能很好地降低原水的浊度;加入过多的磁性颗粒,又会导致污泥量增加。为了研究磁性颗粒添加量以及外加磁场下对高浊度原水的处理效果,在实验中进行了对比实验,图2及图3分别为:有外加磁场(1050 Guass)及无外加磁场的情况下,磁种剂量对磁性絮聚效果的影响图。从图2可知,当磁种剂量由2.98 g/L增加到3.58 g/L时,水中残余浊度从114 NTU降至20.9N TU,原水的浊度在磁性颗粒的絮聚作用下得到有效去除。而当磁性颗粒添加量由3.58 g/L增加到5.02 g/L,水中残余浊度仅能从21 NTU减低至18 NTU,磁种添加量的增加没有导致浊度的显著降低,说明当磁种剂量达到一定临界剂量时,磁性絮聚效果即趋于稳定。对比图2和图3可知,有外加磁场时的磁性絮聚效果明显优于无外加磁场时的效果;当磁种剂量添加量超过3.58 g/L后,磁性絮聚效果基本趋于稳定。由此可知,3.58 g/L的磁种剂量为原水浊度在9600-9800 NTU时的最佳投加量。

综上所述,对高浊度的原水,磁种添加量和外加磁场都会对浊度的去除效果产生影响。

图2 有外加磁场(1000 Gauss)的情况下磁种剂量对磁性絮聚效果影响图

图3 无外加磁场的情况下磁种剂量对磁性絮聚效果影响图

2.2 外加磁场强度对磁性絮聚效果的影响

因此在外加磁场的情况下,与磁性颗粒结合的浊度粒子不仅是受到重力的沉降作用,亦受另一平行于重力的外加磁力作用。随着外加磁场强度的增强,磁作用力愈大。

图4为不同外加磁场强度对磁性絮聚效果的影响图,当外加磁场强度越强时,磁性絮聚之效果越好。当外加磁场强度为1050 Guass时,残余浊度为21 N TU。而在无外加磁场时,残余浊度仍高于50 NTU。但磁场强度增加,浊度的去除效果降低的不明显,在1050 Gauss外加磁场强度条件下对浊度的去除效果最好。

图4 不同外加磁场强度对絮聚效果的影响

2.3 浊度变化对磁性絮聚效果的影响

由实验结果得知,当原水初始浊度为9600～9800 NTU时,磁性絮聚的最佳磁种剂量为3.58g/L,并且在外加磁场的作用下效果更好。但当原水初始浊度变动,此最佳磁种剂量也会因磁种与浊度颗粒间的碰撞频率改变而有所不同。

为了研究浊度变化对原水残余浊度的变化影响,在磁性颗粒添加量不变、外加磁场强度、作用时间不变的前提条件下,通过改变原水的浊度,研究浊度变化对去除效果的影响。具体见图5。

图5 不同原水浊度的残余浊度与时间的关系图

从图5可知,当磁性颗粒添加量为3.58 g/L时,对原水浊度小于9700 NTU可得到很好的絮聚效果,对原水浊度大于 9700 NTU的絮聚效果较差。

3 结论

本研究以化学沉淀法制备Fe3O4磁性颗粒,对制备好的磁性颗粒经3000 Guass磁化处理,探讨不同磁性颗粒添加量、外加不同磁场强度及浊度变化对浊度去除效率的影响。结果显示,磁性颗粒添加量并非越多越好,当达到一个临界量时,添加更多的磁性颗粒并不能能使原水浊度显著降低。对一特定浊度之原水,存在一最适磁种添加剂量,且外加磁场对磁性絮聚程序是必要的。在外加磁场强度达到700 Guass以上时,沉淀时间34min缩短至10min。浊度变化对磁性颗粒去除效果的影响较明显。

[1] 陈澄佑.磁性流体的研制[D].北京:清华大学材料科学与工程研究所,1993.

[2] 邵海成,戴红莲,黄 健,等.化学共沉淀法合成CoFe2O4纳米颗粒及其磁性能[J].硅酸盐学报,2005,33(8):959-962.

[3] 林本兰,沈晓冬,崔 升.纳米 Fe3O4磁流体的制备及其影响因素研究[J].润滑与密封,2006,(10):137-140.