井下水过滤阶段滤料制备实验研究

孟宪慧

（山东省冶金设计院股份有限公司，山东 济南250014）

过滤是以粒状滤料层截留水中悬浮杂质，进而使水获得澄清的工艺过程。过滤的功效不仅在于进一步降低水的浊度，而且水中有机物、细菌乃至病毒等将随水的浊度降低而被部分去除。至于残留于滤后水中的细菌、病毒等在失去混浊度的保护或依附时，在滤后消毒过程中将容易被杀灭，这就为滤后消毒创造了条件。 在饮用水的净化工艺中过滤是不合缺少的，它是保证饮用水卫生安全的重要措施。 在此试验中，过滤主要是为了降低水的硬度及高锰酸盐指数。

1 滤料的选择依据

滤池中的滤料是承担过滤功能的主要部分，质量的好坏直接决定着出水水质。 给水处理所用的滤料，必须符合三个要求：

（1）具有足够的机械强度，以防冲洗时产生滤料磨损和破碎现象。

（2）具有足够的化学稳定性，以免滤料与水产生化学反应而恶化水质，尤其不（能含有对人类健康有害的物质。

（3）具有一定的颗粒级配和适当的空隙率。 此外滤料应尽量就地取材，货源充足，价廉。

根据此三点，选择石英、天然滤石和改型后的滤石为原料进行实验研究。

2 过滤试验方法及装置

试验所用过滤装置是由两根内径为20mm、 长为2m 的有机玻璃柱、储水瓶、转子流量计等组成的自制的试验装置，分别取一定量的石英砂滤料或沸石滤料装柱，经过混凝沉淀后的水从进水口通过重力自流自上而下流过过滤柱，流量的大小由转子流量计控制，过滤后的水由出水口排出，出水500ml 后取水样进行分析。 过滤试验装置如图1所示，过滤试验用水为原水样混凝沉淀1 小时后的出水，水质参数如表1 所示。

表1 过滤用水水质Tab.1 Quality of the water using for filtration

3 实验结果与讨论

3.1 石英砂滤料的制取

将石英原矿破碎、筛分后，取粒径为0.5mm～1.25mm。 将所选石英砂滤料烘干，从中称出400g，用一系列不同孔径的标准筛进行筛析，称量留在各筛上的砂样质量，计算出过筛百分率，石英砂粒度组成如图2 所示。

图1 过滤试验装置Fig.1 Filtration tester

图2 石英砂粒度组成Fig.2 Granularity curve of quartz

由图2 可知所选石英滤料的不均系数K80 为：

所以，所选石英砂滤料符合常规滤料的要求。

3.2 天然沸石滤料的制取

本试验所用沸石为承德蘑菇峪产斜发沸石原矿。 经岩矿鉴定、X 射线衍射（XRD）和差热等手段综合分析，此沸石原矿主要由斜发沸石、蒙脱石和石英等组成。 与制备石英砂滤料相似，将沸石原矿破碎、筛分后，取粒径为0.5mm～1.25mm。 称取天然沸石滤料450g，用一系列不同孔径的标准筛进行筛析，称量留在各筛上的沸石质量，计算出过筛百分率，沸石滤料粒度组成如图3 所示。

图3 沸石粒度组成Fig.3 Granularity curve of zeolite

由图3 可知所选沸石滤料的不均系数K80 为：

所选沸石滤料也符合常规滤料的要求。

3.3 改型沸石滤料的制取

沸石孔穴和通道中存在许多脱附自由的沸石水， 沸石水的多少，可随外界的温度和湿度变化而变化，脱水沸石具有极空旷而又相互连通的孔道结构，有更大的内表面积；而且经过焙烧既可以提高其机械强度又可以加大孔容，增加比表面积，还可以增加阳离子的运动活性，使离子交换进行得更充分。 为增大其吸附量，提高沸石的离子交换性能，将破碎、筛分后的沸石原矿作以下处理：用10%的盐酸浸泡12 小时，然后用10%的NaCO3溶液中和，清洗，煮沸40 分钟，烘干后在400℃下焙烧1.5 小时。

3.4 天然沸石、改型沸石、与石英砂过滤对比试验

经过测定所选斜发沸石原矿的密度为2.57， 与石英砂密度相当，可代替石英砂做第二层滤料。首先进行沸石与石英砂单层滤料对比试验。 在石英砂、未处理沸石与焙烧后的沸石的装填高度均为300mm、滤速为10m/h 的条件下进行过滤试验， 对出水色度、CODMn及硬度进行测定，分析各滤料对各个指标的去除效果，试验结果如表2 所示。

表2 沸石与石英砂过滤对比试验结果Tab.2 Contrast filtration result between quartz and zeolite

由试验结果可以看出石英砂、未处理沸石及焙烧后的沸石三者对要处理水色度的去除效果相当， 对CODMn及硬度的去除率依次增大；焙烧后的沸石对CODMn及硬度的处理效果最好， 去除率可分别达到72.42%和9.75%，两者均满足饮用水要求。 这是由于沸石经过无机酸处理和高温焙烧等活化后，清除了沸石孔道内的杂质，疏通了孔道并重建孔道间的连通，大大提高了天然沸石对CODMn及硬度的去除率。

天然斜发沸石焙烧前后的扫描电子显微镜SEM 照片如图4 所示。通过对比其显微结构可知天然斜发沸石焙烧前后的表面结构有很大的变化，观察其微观结构的变化，可以看出，经过活化后的沸石颗粒表面的微孔更大，数量更多，且分布更加均匀，吸附量增大，离子交换能力增强，故处理效果更好。 因此过滤试验采用焙烧后的沸石作为滤料。

图4 天然斜发沸石焙烧前后的SEM 照片（2000 倍）Fig.4 SEM photographs of natural clinoptilolite and baked clinoptilolite (2000 times)

4 结论

过滤阶段是煤矿井下水生产饮用水的关键阶段，要求滤料有足够的机械强度、化学稳定性、具有一定的颗粒级配和适当的空隙率，以及对环境无污染。 对粒径0.5mm～1.25mm 的石英滤料、天然沸石滤料以及改性沸石滤料进行过滤试验研究， 在填料高度均为300mm、 滤速均为10m/h 的条件下，三者对要处理水色度的去除效果相当，对CODMn及硬度的去除率依次增大；焙烧后的沸石对CODMn及硬度的处理效果最好，去除率可分别达到72.42%和9.75%，两者均满足饮用水要求。

［1］萧小月，等.功能无机材料在海水淡化技术中的应用于开发[J].功能材料，1996，27（6）：481-486.

［2］孙洪星，等.煤矿矿区水资源的保护及污染防治[J].中国煤炭，2000，9（2）：23-2.

［3］严子春，王晓丽.沸石强化过滤的效果及其对水质的影响[J].重庆大学学报，2002，25（2）：130-132.

［4］张栩.沸石对工业工艺循环用水中无机盐去除的研究[D].杭州：浙江大学，2002.

［5］朱燕.改性微孔沸石球吸附柱去除水源中氨氮的动态法研究[D].武汉：武汉理工大学，2005.

［6］徐雁金，等.天然沸石对工艺循环用水中无机盐去除的研究[J].浙江化工，2003，11（3）：24.

［7］何洁，等.动态法研究天然沸石去除氨氮效果[J].水处理技术，1999，25（8）：358-361.

［8］何洁，等.天然沸石用于去除水体中有机污染物的效果[J].水处理技术，1998，24（5）：286-288.