改性火山岩滤料去除矿井水中铁锰离子影响因素研究

1、第3卷 第7期环境工程学报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改性火山岩滤料去除矿井水中铁锰离子影响因素研究胡建龙 王春荣 何绪文 卲立南 李 炟 殷 坤 吴 敏(中国矿业大学(北京化学与环境工程学院,北京100083摘 要 以改性火山岩滤料作为除铁除锰的滤料,通过对模拟矿井水的过滤试验,研究了滤速、p H 值、滤层厚度及铁锰离子浓度对其除铁除锰效率的影响。结果表明:改性火山岩滤料能实现模拟矿井水中M n 2+的100%去除,效果明显优于未改性火山岩;最为合理的

2、过滤滤速为78m /h ;除铁除锰的过程主要发生在滤层厚度为90c m 的上部滤层中;随着铁锰浓度的升高,改性火山岩滤料除铁的效率变化很小,除锰效率呈快速、线性降低;中性或偏碱性的环境有利于改性火山岩滤料充分发挥高效吸附去除能力。关键词 改性火山岩滤料 除铁除锰 矿井水 回用中图分类号 X703 1 文献标识码 A 文章编号 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 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50678172收稿日期:2008-09-28;修订日期:2008-12-09作者简介:胡建龙(1986,男,硕士研究生,主要从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我国矿井水的排放具有量大、面广、利用率低的特点,其中高铁高锰矿井水占60%1,要实现矿井水的资源化,首要解决的问题就是去除矿井水中的铁锰离子。传统的过滤除铁除锰工艺中所使用的石英砂、锰砂滤料存在诸多缺点,如启动时间长,处理效率较低等2。改性滤料是近年来滤料研究的新热点

8、,它是通过对载体滤料进行表面改性后制得的滤料,比原载体滤料具有更强的吸附去除能力。本试验以改性火山岩滤料作为矿井水去除铁锰离子的一种新型滤料,研究了动态过滤条件下滤速、pH 、滤层厚度及铁锰离子浓度对其除铁除锰效率的影响。1 材料、试验装置及方法1.1 改性火山岩滤料及其制备火山岩是火山喷发后岩浆瞬间冷凝形成的,具有耐磨、比表面积大的优点,本试验所用的火山岩滤料是经过筛分后,粒径介于0 450 90mm 的火山岩颗粒。经扫描电镜 X 射线能谱仪(SE M EDS分析后,得其主要的元素组成及其原子含量百分比分别为: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%。改性火山岩滤料的制备:向经过预处理的火山岩滤料中,加入一定体积的1m o l/L 的Fe(NO 33溶液,搅拌均匀后,快速搅拌再加入一定体积的环境工程学报第3卷 3m ol/L 的KOH 溶液,置于100 的烘箱中烘干。通过一定技术手段保证氢氧化铁均匀涂布在火山岩表面。最后将制得滤料置于马弗炉中,于400 下烘烤2h 。然后用去离子水将改性滤料表面粘附不牢固的部分洗去后烘干备用。1.2 试验装置为了研究各因素对改性火山岩过滤除铁除锰效果的影响,过滤试验采用的滤柱内径为30mm,过滤装置如图1所示。

10、 图1 过滤装置图F i g .1 D i agra m o f filter1.3 试验方法过滤试验中,通过在不同高度的取样口取样,测定不同滤层厚度处铁锰离子去除效率。通过调整恒流泵流量的大小,可以控制过滤滤速。测定不同滤速条件下出水中的铁锰离子浓度。试验所用的原水为试验室配制的模拟矿井水,配水水质参照高铁高锰矿井水经混凝沉淀预处理后的水质。通过调整原水的pH 值、总铁及M n 2+的浓度,研究进水中pH 值、铁锰离子浓度不同时的改性火山岩除铁除锰效率。2 结果与讨论2.1 改性前后火山岩除铁除锰效果对比试验所用的模拟矿井水的水质如下:总铁浓度2 412 59m g /L ,M n 2+浓度

11、0 931 04m g /L ,pH 值7 417 51,浊度15 117 7NTU,温度2025 。改性前后除铁除锰效果对比试验所采用的滤层厚度为90c m,滤速为7m /h 。火山岩改性前后的除铁除锰效果如图2和图3所示。改性后火山岩在过滤进行的前15h 内对水中总铁的去除效果要稍差于未改性火山岩,15h 后其去除率也能达到95%以上。改性火山岩的除锰效果则明显优于未改性火山岩,在过滤进行的前6h 内,能实现水中M n 2+的100%去除,随着过滤时间的增加,改性火山岩滤料对M n 2+的吸附能力逐渐降低。改性后,火山岩滤料的表面稳定性虽有所降低,致使其除铁效果稍差于未改性火山岩,但其表面

12、吸附能力显著提高,能实现对M n 2+的高效吸附。2.2 滤速对过滤效果的影响工艺上,矿井水过滤除铁除锰常用滤速为710m /h 。分别在过滤滤速为7、8、9和10m /h 的条件下考察过滤滤速对改性滤料除铁除锰的影响。试验进水中,总铁浓度为5 07mg /L ,M n 2+浓度为2 16m g /L ,pH 为7 47,浊度为15 2NTU 。图4和图5所示分别为不同滤速条件下改性滤料除铁、除锰效率随时间的变化。从图4中可以看出,滤速增加对于改性滤料除铁效果无明显影响。由图5可知,在相同的铁锰离子浓度的条件下,滤速为9m /h 和10m /h 时,改性滤料除锰的效率下降的趋势很快。滤速为7m

13、 /h 和8m /h 时,改性滤料除锰的效率相对较为接近,下降趋势较为平缓,因此,最为经济合理的过滤滤速为78m /h 。由于滤速的提高,可以使改性滤料表面快速达到吸附饱和,当滤料表面吸附点位减少后,其吸附除锰的效率有所降低。此外,过高的滤速使改性滤料的吸附能力得不到充分发挥。1200第7期胡建龙等:改性火山岩滤料去除矿井水中铁锰离子影响因素研究 2.3 p H 值对过滤效果的影响试验中通过向原水中添加0 5%的H C l 和0 5%的NaOH 溶液,调节进水配水的p H 值,分别比较在p H 为3 53、7 47和9 51时,过滤2h 后的铁锰去除效率,试验结果如表1所示。进水的滤速为7m

14、/h ,滤层厚度为90c m 。表1 不同pH 值条件下改性火山岩滤料除铁除锰效果比较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 值总铁去除率(%锰去除率(%3.53析出2.77.47821009.5197100由表1可知,通过在火山岩表面涂铁的氧化物制得的该改性滤料,当pH 值为3 53时,其表面稳定性明显降低,出水中总铁的浓度高于原水,且由于水中H +的竞争作用,M n 2+的去除效率也显著降低。p H 为7 47和9 51时,总铁去除率有所提

15、高,且均能实现M n 2+的100%去除。因此,该改性滤料在中性或偏碱性的环境下有利于发挥高的铁锰离子去除能力。2.4 滤层厚度对过滤效果的影响滤层厚度影响试验中所用的原水水质与改性前后除铁除锰效果对比试验所采用的模拟矿井水水质一致。滤速为7m /h ,接近实际工艺中常用滤速。不同滤层厚度处,改性火山岩滤料的除铁效率、除锰效率如图6和图7所示。从图6和图7可知,改性滤料的除铁除锰效率并不是随着滤料滤层厚度的增加而线性增加的。随着滤料滤层厚度的增加,除铁除锰效率增加的幅度逐渐降低。在过滤时间达到15h 后,滤层厚度为60、90和120c m 处的除铁效率十分相近。在24h后,不同滤层厚度的除铁效

16、率几近一致。90c m 与120c m 处的除锰效率接近,6h 之后,这2个滤层厚度处的除锰效率呈线性降低。总体上90c m 与120c m 处的除铁除锰效率十分接近,改性滤料对水中铁锰离子的去除作用主要发生在滤层厚度90c m以上的滤层中。1201环境工程学报第3卷2.5 铁锰离子浓度对过滤效果的影响铁锰离子浓度影响试验中所用的进水为试验室配制的铁锰离子浓度分别为负荷、负荷!、负荷的配水,不同负荷对应铁锰离子浓度如表2所示。过滤滤速为7m/h。表2 不同负荷水质表T ab le2 W ater quality of differen t iron andm anganese l oad i

17、ng负荷总铁浓度(mg/LM n2+浓度(mg/LpH负荷2.59 1.047.51负荷!5.07 2.167.47负荷7.31 2.977.41不同负荷条件下的过滤试验中,改性火山岩滤料对总铁的去除效率、对M n2+的去除效率如图8和图9所示。矿井水中溶解氧含量很高,接近饱和3,矿井水中的二价铁离子在排出矿井过程很容易被溶解氧氧化为三价。三价铁离子在p H为3 5时就可以开始沉淀4,因此对于高浓度的铁离子来说,大部分被氧化沉淀形成Fe(OH3而被截留去除。少量未被氧化的二价铁离子则可被滤料的表面吸附能力所吸附去除。从图8上看,虽然铁锰离子浓度不同,但当滤料过滤稳定后,改性滤料对于铁离子的去除

18、率能达到95%以上,可见改性滤料不仅具备较好的截留去除Fe(OH3的能力,而且其吸附能力也能保证水中未氧化的Fe2+的去除。水中M n2+难以被水中溶解氧氧化5,而通过过滤截留去除。改性滤料对于水中锰离子的去除作用在短的过滤时间内主要依靠滤料表面的表面吸附作用。从图9上可以看出,在过滤开始的2h内,对M n2+的去除率接近100%,在这一阶段滤料表面的吸附点位还未达到饱和,M n2+可以被完全的吸附。过滤开始2h后,不同污染负荷下改性滤料表面逐渐趋于饱和,锰离子浓度越高,其M n2+去除率呈线性降低的速度越快。在过滤开始7h后,负荷!和负荷的去除率又接近一致,改性滤料对M n2+的去除效果接近饱和。3 结 论(1改性火山岩滤料的除锰效果明显优于未改性火山岩,能实现水中M n2+的100%去除,但其除铁效果稍差于未改性火山岩。(2改性火山岩滤料除铁除锰最为经济合理的过滤滤速为78m/h。该