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)過一段時(shí)問的除鐵運(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)度過大，時(shí)間過長(zhǎng)，則其過濾水質(zhì)變差。這三個(gè)現(xiàn)象都可說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)象說明，鐵質(zhì)濾膜尚有個(gè)“活性”問題。即它的催化作用只有在連續(xù)的除鐵過程才能發(fā)揮作用，并在這個(gè)過程中不斷覆蓋(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)過濾層過濾，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。