石英砂,無(wú)煙煤濾料,錳砂接觸氧化法除鐵實(shí)驗(yàn)證明,天然錳砂濾料除鐵除錳

石英砂,無(wú)煙煤濾料,錳砂接觸氧化法除鐵實(shí)驗(yàn)證明,天然錳砂濾料除鐵除錳

        目前采取的接觸氧化法除鐵工藝中，多采用錳砂濾料。隨著地下水的大量開采，對(duì)天然錳砂的需求量舊益增加，加之錳砂價(jià)值昂貴，產(chǎn)地較遠(yuǎn)，運(yùn)輸困難，越來(lái)越不能滿足生產(chǎn)的需要。因此，尋求一種價(jià)格低廉，取之方便，除鐵效果滿足要求的濾料成為鐵路地下水除鐵工藝中急待解決的問(wèn)題。下面，我們圍繞除鐵濾料的選擇，探討一下濾料對(duì)地下水除鐵的作用。
關(guān)鍵詞:錳砂;除鐵效果;催化劑
一、天然錳砂本身對(duì)水中亞鐵離子的氧化是否有催化作用；
         1933年，最早的除鐵理論提出錳砂表面的二氧化錳是亞鐵離子氧化的催化劑，這個(gè)觀點(diǎn)后來(lái)被發(fā)展為天然錳砂暴氣除鐵的經(jīng)典理論，這個(gè)理論認(rèn)為天然錳砂的除鐵過(guò)程是：
(1).錳砂表面的二氧化錳被水中的溶解氧氧化為七價(jià)錳的氧化物。
(2).七價(jià)錳的氧化物將水中的二價(jià)鐵氧化為三價(jià)鐵，同時(shí)本身還原為二氧化錳，用反應(yīng)式表達(dá)為：

 3MnO^₂+O^₂→MnO  Mn2O7
 MnO  Mn^₂O7 +4Fe2 ⁺+2H2O→3MnO2 +4Fe3⁺+40H-     

     由于天然錳砂接觸氧化法除鐵不要求暴氣，原水可直接進(jìn)入濾池過(guò)濾，因而，可省去反應(yīng)池和沉淀池，受到普遍推廣。但是，在長(zhǎng)期的實(shí)踐中人們發(fā)現(xiàn)了許多與上述理論矛盾的現(xiàn)象。如:在除鐵過(guò)程中，錳砂表面逐步被棕黃色的鐵質(zhì)化合物所包圍，但除鐵效能并未因錳砂表面被菠蓋而減弱;新錳砂濾料初期除鐵效果并不好，只有經(jīng)過(guò)一段時(shí)問(wèn)的除鐵運(yùn)行后，錳砂表面被鐵銹所覆蓋，才開始具有穩(wěn)定的除鐵能力;當(dāng)濾層反沖洗時(shí)，如果反沖洗強(qiáng)度過(guò)大，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則其過(guò)濾水質(zhì)變差。這三個(gè)現(xiàn)象都可說(shuō)明表面清潔的錳砂濾料除鐵效果并不好，表面越潔凈，對(duì)亞鐵離子的催化作用越小。這使人們產(chǎn)生了懷疑，錳砂對(duì)亞鐵離子的氧化是否有催化作用?要想證明錳砂不是催化劑，還必須找出加快亞鐵離子氧化的催化物質(zhì)。
二、“鐵質(zhì)活性濾膜”是催化劑試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在去除亞鐵離子的過(guò)程中，濾料表面會(huì)逐步附著一層鐵質(zhì)化合物，隨著這層鐵質(zhì)化合物數(shù)量的增加，濾層的除鐵效果明顯增強(qiáng)，如果把這層鐵質(zhì)化合物重新沖洗掉，其除鐵效能降低。顯而易見，這層鐵質(zhì)化合物對(duì)亞鐵離子的氧化有強(qiáng)烈的催化作用。
      我們發(fā)現(xiàn)，一個(gè)發(fā)育成熟的濾料，除核心為原濾料外，外層是一些疏松狀的物質(zhì)。我們將表面附有疏松物質(zhì)的濾料與經(jīng)過(guò)認(rèn)真清洗表面不再有疏松物質(zhì)的濾料分別裝入兩根濾料試憐中，實(shí)驗(yàn)證明帶有疏松物質(zhì)的濾料除鐵效果良好，而洗去疏松物質(zhì)的濾料濾后水質(zhì)很差。這表明起催化作用的不是內(nèi)層較密實(shí)的鐵質(zhì)化合物。而是表面疏松的鐵質(zhì)化合物，為方便起見，將其稱為“鐵質(zhì)活性濾膜”。
      試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，如果把發(fā)育成熟的濾料取出后存放一段時(shí)間，那么，表面“鐵質(zhì)活性濾膜”的催化作用就會(huì)相應(yīng)減弱。我們用三根濾管進(jìn)行試驗(yàn)，一根裝入發(fā)育成熟的濾料馬上投入運(yùn)行，另外兩根分別擱置不同時(shí)間后再投入運(yùn)行，試驗(yàn)結(jié)果表明，擱置一段時(shí)間在運(yùn)行的濾料除鐵性能已大大降低，擱置時(shí)間越長(zhǎng)，濾料的除鐵效能越差。此現(xiàn)象說(shuō)明，鐵質(zhì)濾膜尚有個(gè)“活性”問(wèn)題。即它的催化作用只有在連續(xù)的除鐵過(guò)程才能發(fā)揮作用，并在這個(gè)過(guò)程中不斷覆蓋(或更新濾膜，才能使濾料永遠(yuǎn)保持活性。
      既然起催化作用的是“鐵質(zhì)活性濾膜”，那么，無(wú)論采用何種濾料，只要在濾料表面形成“鐵質(zhì)活性濾膜”，就可達(dá)到穩(wěn)定的除鐵效果，實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐都證明了這個(gè)事實(shí)。
      綜上所述，起催化作用的不是濾料本身，而是“鐵質(zhì)活性濾膜”。那么，濾料品種對(duì)除鐵效果
有什么影響呢?
 三、濾料品種對(duì)接觸氧化法除鐵的影響濾料品種對(duì)除鐵效果的影響，主要表現(xiàn)在新濾料層的
初期運(yùn)行，隨著除鐵運(yùn)行的繼續(xù)，各種濾料的除鐵能力趨于接近，這時(shí)，可以觀察到濾料的表面已呈棕黃色，即為“鐵質(zhì)活性濾膜”所包圍。這說(shuō)明在濾料表面的“鐵質(zhì)活性濾膜”未完全形成之前，濾料的品種對(duì)除鐵效果有一定的影響，但影響是短期的。一旦“鐵質(zhì)活性濾膜”包圍了濾料，濾料本身對(duì)亞鐵離子的作用也就慢慢消失。
      3.1不同品種濾料的初期除鐵能力為探索新濾料的初期去鐵能力，曾用無(wú)氧和有氧含鐵地下水進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明無(wú)論含鐵地下水中是否含有溶解氧，經(jīng)過(guò)濾層過(guò)濾，水中的亞鐵離子在一段時(shí)間內(nèi)都能全部或部分被去除。
      我們還對(duì)有氧、無(wú)氧環(huán)境下同一濾料的除鐵能力進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)果是:同一種濾料的初期去鐵能力，無(wú)論是有氧或無(wú)氧都基本相同，這表明新濾料的初期除鐵能力與水中有無(wú)溶解氧無(wú)關(guān)，而只與濾料本身的性質(zhì)有關(guān)。
        濾料品種不同，其初期除鐵能力亦有很大差異，表I是我們對(duì)部分濾料的測(cè)定結(jié)果。其中:錳砂的初期運(yùn)行除鐵能力最大，為5000毫克鐵/升濾料，而石英砂最差，僅為24毫克鐵/升濾料。
        在無(wú)氧狀態(tài)下，新濾料層截留的鐵質(zhì)經(jīng)分析后大部分為亞鐵，這表明，新濾料層除鐵主要是吸附作用。
        3.2濾料品種對(duì)濾膜形成的影響試驗(yàn)表明，新濾料表面吸附的亞鐵離子，氧化后生成的高鐵氫氧化物與活性膜有很大的差異，表現(xiàn)在：
第一、新濾料表面的高鐵氫氧化物構(gòu)造非常密實(shí)，過(guò)濾時(shí)阻力很小，當(dāng)濾料中截留的鐵質(zhì)數(shù)量相同時(shí)，新濾料濾層的水力阻抗比隨著濾膜的濾層要小數(shù)十倍。
第二、在新濾料表面最初形成的高鐵氫氧化物并沒(méi)有強(qiáng)烈的催化活性。
        那么，濾料初期的吸附能力與“鐵質(zhì)活性濾膜”形成之間的關(guān)系到底如何呢?我們通過(guò)六種濾料對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明:相同的水質(zhì)，不同的濾料，盡管初期吸附能力不同，但濾料表面形成“鐵質(zhì)活性濾膜”的時(shí)間基本相同(見表2)。
        即:不同品種的濾料，只要經(jīng)過(guò)大致相同時(shí)間的除鐵運(yùn)行，都能在其表面自然形成具有強(qiáng)類催化作用的“鐵質(zhì)活性濾膜”。
四、總結(jié)
        天然錳砂、石英砂濾料、無(wú)煙煤等濾料一般都不具備對(duì)亞鐵離子氧化的催化作用，在接觸氧化法中，所有濾料的作用都是作為載體而工作，錳砂最大的優(yōu)點(diǎn)是濾料成熟期短。
        在接觸氧化法除鐵中，起作用的是在濾料表面自然形成的“鐵質(zhì)活性濾膜”。任何濾料，只要附著有這種濾膜，都具有穩(wěn)定的除鐵能力。
        不同品種的濾料本身對(duì)亞鐵離子有不同的吸附能力，在新濾料運(yùn)行初期對(duì)除鐵效果有一定影響。當(dāng)?shù)叵滤�中含鐵量不高時(shí)，采用錳砂濾料可獲得理想的初期出水。但當(dāng)原水含鐵濃度很高時(shí)，濾料品種不同對(duì)初期出水水質(zhì)的影響并不明顯。
       濾料本身吸附能力的大小和濾料表面自然形成“鐵質(zhì)活性濾膜”的時(shí)間無(wú)關(guān)。錳砂、石英砂、無(wú)煙煤濾料都是良好的接觸氧化法除鐵濾料，濾料品種的選擇主要考慮就地取材、價(jià)格和濾料作為截體的條件。錳砂濾料可獲得理想的初期出水理想的效果，采用天然錳砂接觸氧化法除鐵不要求暴氣，原水可直接進(jìn)入濾池過(guò)濾，因而，可省去反應(yīng)池和沉淀池，受到普遍推廣。而且濾料成熟期短除鐵效果明顯。