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隨著我國社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，環(huán)境問題日益突出，尤其是城市水環(huán)境的惡化，加劇了水資源的短缺，影響著人民群眾的身心健康，已經(jīng)成為城市可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重制約因素。近年來，國家和地方政府非常重視水環(huán)境的保護(hù)，正以前所未有的速度推進(jìn)城市污水處理工程的建設(shè)，有數(shù)百座污水處理廠正在工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中，在這一進(jìn)程中，城市污水處理工藝的選擇，將是工程界面臨的首要問題。
城市污水中主要污染物包括需氧有機(jī)物、懸浮物病原體、氮磷等。需氧有機(jī)物可降低水體含氧量，使細(xì)菌滋生，惡化水質(zhì)，造成水體變臭。目前，除去污水中有機(jī)物的方法主要有物理化學(xué)吸附法、化學(xué)法和生物法。其中，物理化學(xué)吸附法因具有投資小、工藝操作簡便的特點(diǎn)而被廣泛采用。筆者研究采用我國蘊(yùn)藏豐富的煤系高嶺巖(土)作為吸附劑處理城市污水。煤系高嶺巖(土)的吸附作用主要有化學(xué)吸附和物理吸附。化學(xué)吸附主要是由于煤系高嶺巖(土)表面存在大量的鋁、硅等活性點(diǎn)，能與吸附質(zhì)通過化學(xué)鍵發(fā)生結(jié)合;物理吸附是指煤系高嶺巖(土)與吸附質(zhì)(污染物質(zhì))間通過分子間引力產(chǎn)生吸附，這一作用主要取決于煤系高嶺巖(土)的多孔性和比表面積，比表面積越大，吸附效果越好。筆者通過焙燒，一方面脫去煤系高嶺土中的有機(jī)碳和其他雜質(zhì)礦物;另一方面脫去煤系高嶺土中所含水分、羥基，這樣可在煤系高嶺土表面和內(nèi)部形成大量的微孔，使其表面呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，這些暴露于表面的孔穴對(duì)水體和空氣中的化學(xué)物質(zhì)具有一定的吸附性能，而對(duì)于內(nèi)部的孔穴則因?yàn)榇瓮鈱颖∧さ钠帘巍⒆钃醵挥泻苄〉奈叫阅埽瑸榱颂岣咂淇障堵屎捅缺砻娣e，本實(shí)驗(yàn)采用硫酸活化的方法。
筆者通過改變焙燒時(shí)間、焙燒溫度、煤系高嶺土顆粒和硫酸濃度大小來找出煤系高嶺土吸附處理生活污水的最佳條件，旨在拓寬煤系高嶺土應(yīng)用領(lǐng)域，為煤系高嶺土吸附法處理生活污水提供理論依據(jù)。
1實(shí)驗(yàn)部分
1.1實(shí)驗(yàn)原料與儀器
1.1.1實(shí)驗(yàn)原料
城市生活污水取自內(nèi)江市沱江河生活污水排放口，原水水質(zhì)如表1所示。
煤系高嶺土取自四川省樂山市沙灣區(qū)俊江礦業(yè)有限公司。煤系高嶺土的化學(xué)成分如表2所示。
722N型可見紫外分光光度計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司;pHSJ-3F型pH計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司;HY-3型多功能調(diào)速多用振蕩器，金壇市億通電子有限公司;SX2-5-12型馬弗爐，天津市科學(xué)器材設(shè)備廠;高速超細(xì)粉碎機(jī)，日本佑崎有限公司。
1.2煤系高嶺土活化工藝路線
煤系高嶺土活化工藝路線如圖1所示。
圖1實(shí)驗(yàn)工藝流程
1.3實(shí)驗(yàn)方法
正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用L16(45)正交表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考察焙燒溫度(A)、焙燒時(shí)間(B)、顆粒大小(C)、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)(D)對(duì)煤系高嶺土吸附城市生活污水中有機(jī)物的吸附率的影響，COD采用重鉻酸鉀法測定。因素水平詳見表3。
2結(jié)果與討論
正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。表4中K為各因素下相同水平的指標(biāo)之和，S為各因素方差，fj為自由度，F(xiàn)比為(Sj/fj)/(Se/fe)，T為所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)的總和。
由表4綜合分析可知，煤系高嶺土焙燒活化最佳條件為：A3B2C4D4，即焙燒溫度為700℃，焙燒時(shí)間為30min，顆粒大小為0.106mm(150目)，硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%。在最佳條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得煤系高嶺土吸附城市生活污水中有機(jī)物的吸附率為98.962%，要弱高于正交實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)9號(hào)的98.0%。因此本實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)組合為A3B2C4D4。各因素對(duì)吸附率影響的主次順序?yàn)椋罕簾郎囟?A)、顆粒大小(C)、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)(D)、焙燒時(shí)間(B)。
2.1焙燒溫度對(duì)吸附率的影響
由表4可知，當(dāng)焙燒溫度在600~700℃時(shí)，吸附率隨焙燒溫度的升高而不斷增加，當(dāng)焙燒溫度為700℃時(shí)，吸附率達(dá)到最大值，此后隨著溫度的升高吸附率反而下降。這是由于煤系高嶺土經(jīng)歷到700℃高溫焙燒過程中，煤系高嶺土中的高嶺石會(huì)發(fā)生一系列強(qiáng)烈的吸熱和脫水反應(yīng)，從而生成了非晶質(zhì)SiO2和具有活性的γ-Al2O3，煤系高嶺土的表面和內(nèi)在的空隙率大大提高，生成的γ-Al2O3能與硫酸發(fā)生反應(yīng)，生成具有吸附性能的膠狀物質(zhì)，使煤系高嶺土的吸附性能極大提高。當(dāng)溫度高于750℃時(shí)，吸附率反而下降，出現(xiàn)這種情況主要是因?yàn)闇囟冗^高會(huì)使無定形SiO2和γ-Al2O3轉(zhuǎn)變成結(jié)晶相石英及莫來石，石英和莫來石不能與硫酸發(fā)生反應(yīng)，使煤系高嶺土的吸附能力極大喪失。
2.2焙燒時(shí)間對(duì)吸附率的影響
由表4可知，當(dāng)焙燒時(shí)間在15～30min時(shí)，隨著焙燒時(shí)間的延長煤系高嶺土對(duì)城市生活污水中有機(jī)物的吸附率不斷增大，當(dāng)焙燒時(shí)間超過30min時(shí)，吸附率隨著焙燒時(shí)間的延長不斷減小。這是由于當(dāng)焙燒時(shí)間為15～30min時(shí)，隨著焙燒時(shí)間的延長煤系高嶺土中的高嶺石能不斷生成非晶質(zhì)SiO2和具有活性的γ-Al2O3;當(dāng)焙燒時(shí)間超過30min時(shí)，隨著焙燒時(shí)間的延長非晶質(zhì)SiO2和具有活性的γ-Al2O3不斷轉(zhuǎn)變成結(jié)晶相石英及莫來石，從而使煤系高嶺土吸附城市生活污水中有機(jī)物的吸附率不斷降低。
2.3顆粒大小對(duì)吸附率的影響
由表4可知當(dāng)煤系高嶺土的顆粒在0.25~0.18mm(60~80目)時(shí)，吸附率急速增長，從0.18~0.106mm(80～150目)時(shí)，吸附率增長緩慢。這是由于煤系高嶺土顆粒越細(xì)，比表面積就越大，反應(yīng)就越充分。當(dāng)煤系高嶺土的顆粒在0.25~0.18mm(60～80目)時(shí)，焙燒時(shí)就越容易生成非晶質(zhì)SiO2和具有活性的γ-Al2O3，因此也容易與硫酸反應(yīng)生成硅酸鋁凝膠使其吸附性能增強(qiáng)，同時(shí)煤系高嶺土的表面積越大，也越容易吸附污水中的有機(jī)物，所以此時(shí)隨著煤系高嶺土顆粒的增大吸附率急速增長;當(dāng)煤系高嶺土的粒徑為0.18~0.106mm(80～150目)時(shí)，焙燒時(shí)生成的非晶質(zhì)SiO2和具有活性的γ-Al2O3越容易轉(zhuǎn)變成結(jié)晶相石英及莫來石，使其吸附性能大大減弱，因此盡管煤系高嶺土的比表面積不斷增大，但其吸附率增加緩慢。
2.4硫酸濃度對(duì)吸附率的影響
由表4可知，當(dāng)硫酸濃度不斷增大時(shí)，吸附率也不斷增大。這是由于硫酸能溶解煤系高嶺土中的γ-Al2O3、FeO等堿性氧化物，生成硫酸鋁等具有混凝作用的鹽類;另一方面酸浸煤系高嶺土還可使其表面微孔內(nèi)變得粗糙，比表面積增加，打開煤系高嶺土封閉的孔道，增加孔隙率。濃度越高的硫酸，其酸性、氧化性、炭化性越強(qiáng)，因而經(jīng)其處理后的煤系高嶺土對(duì)城市生活污水中有機(jī)物的吸附率就越高。
3結(jié)論
通過5因素4水平的正交實(shí)驗(yàn)，確定了焙燒條件對(duì)煤系高嶺土吸附城市生活污水中有機(jī)物的影響順序分別為焙燒溫度(A)、顆粒大小(C)、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)(D)、焙燒時(shí)間(B)。
當(dāng)焙燒溫度為700℃、焙燒時(shí)間為30min、顆粒大小為0.106mm(150目)、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%時(shí)，為最佳條件，在最佳條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得煤系高嶺土吸附城市生活污水中有機(jī)物的吸附率為98.962%。
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