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13X分子筛联合强化混凝对微污染水中氨氮试验研究
2019-09-02 阅读：次
摘 要 采用O．500，0．200，0．074mm3种粒径的13X分子筛联合聚合氯化铝(PAC)水中氨氮，比较4种不同投加方式对水中氨氮的情况，利用 3种强化除浊方案解决因投加分子筛而带来的浊度影响。粒径为 0．200mm的分子筛对水中氨氮效果于其他两种粒径，在投加量为2．5 L时，氨氮率可达76．6％。采用先投加分子筛后投加混凝剂的投加方式于其他投加方式。缩短快速搅拌时间可以有效因投加分子筛带来的浊度问题，大率可达 96．3％，且对水中氨氮的效果影响不大。分子筛联合强化混凝对水中氨氮效果明显，粒径不同，效果不同，投加方式对于处理效果差别明显，通过缩短快速搅拌的时间，可以有效解决因投加分子筛带来的浊度增加的问题。
分子筛是一种具有立方晶格的硅铝酸盐化合物，主要由硅铝通过氧桥连接组成空旷的骨架结构，在结构中有很多孔径均匀的孔道和排列整齐、内表面积很大的空穴。此外还含有电价较低而离子半径较大的金属离子和化合态的水。由于水分子在加热后连续地失去，但晶体骨架结构不变，形成了许多大小相同的空腔，空腔又有许多直径相同的微孔相连，这些微小的孔穴直径大小均匀，能把比孔道直径小的分子吸附到孔穴的内部中来，而把比孔道大的分子排斥在外，
因而能把形状直径大小不同的分子、性程度不同的分子、沸点不同的分子、饱和程度不同的分子分离开来，即具有“筛分分子”的作用，故称为分子筛。分子筛作为一种人造沸石，含杂质少，具有比沸石的性能-1J。本文研究 l3x 分子筛对饮用水中氨氮的吸附效果及由于投加 13X分子筛对水中浊度的影响。
1 试法
本试验选用萍乡陶瓷化工填料厂购置的 13x(钠 x)分子筛，为直径2～3啪 的圆球型颗粒。为了便于混凝吸附，用研钵和分选筛将 13X分子筛研磨筛选成粒径不等的3种类型：0．500，0．200，0．074mm，用电子天平称量出相应的投加量进行试验。
1．1 水样
水样为某大学人工湖水，水中浊度符合试验要求，但氨氮低于试验要求的标准，在试验室采用氯化铵(NI~C1)来调整配制原水，配制水样的水质如表 1所示。
1．2 试验仪器及药品
WFJ21Oo型可见分光光度计(波长范围：190～850nm)；JJ一4A型六联自动升降搅拌仪；FAIOO4N电子天平称量(范围为0～100g)；聚合氯化铝(PAc)溶液，采用江苏宜兴化学有限公司生产的聚合氯化铝配制成 5mg／L的聚合氯化铝溶
液。
1．3 分子筛强化混凝试法
将一系列 1L的试验水样加人烧杯中，开启 JJ一4A型六联自动升降搅拌仪，经过陕速搅拌 1min(2：~r,／min)，分别投加一系列指定量分子筛颗粒或粉末，快速搅拌2min(250r／nfin)，然后在每个烧杯中加入指定量的混凝剂聚合氯化铝 (PAC)溶液(采用江苏宜兴化学有限公司生产的聚合氯化铝配制成5ms／L的聚合氯化铝溶液)，经过快速搅拌 2min(250r／min)，再慢速搅拌 15rain(60r／x~)，静沉 50min后，取距液面 2锄 处的上清液，测定氨氮(经过O．45pJn膜过滤)和浊度。
2 结果与讨论
2．1 3种不同粒径的13X分子筛对水中氨氮的情况
3种粒径的分子筛的投加量为 0．5，1．0，1．5，2．0，2．5，3．0 g／L，PAC的投加量为40mg／L。出水氨氮如图 1所示。从图1可以看出，0．200lnln粒径的分子筛的效果明显于另外两种粒径。分子筛强化混凝对氨氮的效果基本上是随着分子筛投加量的增加而提高。这主要是因为分子筛对
于氨氮具有良好的吸附特性，因此随着分子筛投加量的增加，其氨氮的效果也随之明显增加。当沸石粉的投加量达到2．5ms／L时，氨氮的率高可达 76．6％，且继续投加沸石粉氨氮的率趋于平稳。0．500 nln1分子筛投加后，在快速搅拌时间内与水样充分接触，但快速搅拌停止进入慢速搅拌段时，分子筛会迅速地沉淀到杯底，与水的接触时间较短，所以对水中氨氮的吸附时间较短，因此对氨氮的吸附量也较其他粒径的分子筛低。随着投加量的增加，开始氨氮的率不断增加，但达到大值后，随着投加量的增加率趋于平稳，可见大量的沉降和卷扫作用，使增加的投加量过多地沉入杯底。0．074mm的分子筛投加后，与水充分接触吸附；而投加混凝剂无法使分子粒径细小的分子筛
完全沉降，细小分子筛所吸附的氨氮也无法随沉降，故效果也不甚理想。O．200mln分子筛粒径适中，投加后，在慢速搅拌时，少量沉淀，大部分与混凝剂共同处于水中，保证了分子筛的充分吸附。可见粒径对氨氮起了决定性的作用。不同粒径的分子筛水中存在的稳定性不同，对氨氮的吸附程度也不同。
图1 3种不同粒径的 13X分子筛对水中氨氮情况
2．2 13X分子筛投加顺序不同对水中氨氮情况研究
确定了分子筛的投加量，从避免沸石粉对其溶解态物和氨氮的竞争吸附和避免分子筛被悬浮絮体包裹的角度来看，分子筛不宜投加在混凝前，投加点应尽量后移；但从分子筛与水体的混合、保证足够的吸附时间以及分子筛与水分离的角度来看，投加点应尽量前移 J。试验中，选择2个沸石粉投加点：①混凝之前，先投加分子筛(0．200him，2．5异／L)，快速搅拌 1min，然后再投加混凝剂 PAC(40ms／L)进行后续的絮凝沉淀反应；②混合反应 2mln后投加混凝剂(4oms／L)，快速搅拌混合 2min，再投加分子筛(O．200mm，2．5s／L)，然后继续进行余下的絮凝沉淀反应。为了进行比较，特安排投加混凝剂和投加分子筛的试验。试验结果如图2所示。
由图 2可见 ，4种投加方式中，先投加分子筛后投加混凝剂的投加方式氨氮的率相对较高。先投加分子筛，在快速混合阶段，使其与水充分接触、充分吸附；而投加混凝剂后再投加分子筛，在快速混合阶段，分子筛受到混凝剂形成絮体的干扰，分子筛球形表面与水的接触面积减小，其吸附通道受到混凝剂絮体的阻塞，从而吸附能力下降；单独投加分子筛，虽然能够与水充分接触，充分吸附水中的氨氮，但由于没有混凝剂的凝聚作用，完成吸附的分子筛细小粉末以浊度的形式存在于水中，氨氮的率仍然较低。
2．3 分子筛投加引起的浊度变化研究
经过研磨而成的不同粒径的分子筛为灰黄色的细碎粉末或颗粒，试验过程中加入 0．200mil的分子筛时，水样通体灰黄，色度、浊度均变大，加入混凝剂后，氨氮情况及出水的浊度变化情况如图 3所示。
从图 3可以看出，氨氮的率随着分子筛投加量的增
加不断增加直至率趋于平稳，出水的浊度随着分子筛投加量的增加也不断增加。浊度的增加一方面是由于机械搅拌的破碎作用，另一方面是由于水力浸泡和冲击，两种作用使分子筛表层脱落，投加混凝剂没有使浊度明显降低。至于选取分子筛氨氮引起的出水浊度过高，必须有效。
2．4 3种降低浊度试验
分子筛投加增加了氨氮的率，但也增加了浊度的难度。本试验通过增加混凝剂的投加量、投加助凝剂 PAM、缩短快速搅拌的时间研究浊度的率，采用O．2001分子筛与上述同等的一系列投加量，然后分别投加聚合氯化铝 5o
L、投加聚合氯化铝(4orag／L)$'I聚丙烯酰胺(0．4mg／L)~合液、快速搅拌的时间由原来的2rain缩短为 3os，3种降低浊度的方式结果如图4所示。
由图4可以看出，3种方式浊度的率对比未采用强化除浊方案时效果明显，通过缩短快速搅拌时间的方式浊度率高，分子筛的投加量为 1．5mg／L时，浊度的率高可达 96．3％，且出水浊度为 0．44NII5。根据上面的分析，浊度的增加是由于分子筛被机械破碎和水力冲击脱落造成，其破碎和脱落程度与快速高强度的搅拌时间有关，所以缩短快速搅拌时间对于水中浊度的非常关键，至于增加混凝剂投机量和投加助凝剂虽然相对未进行强化除浊时浊度的率增加许多，但并非降低浊度的关键原因。
在采用 3种方式除浊过程中，氨氮情况如图 5所示，3种方式对于氨氮的情况相对未进行强化除浊时变化不大，且呈现比较稳定的上升规律。可见在采用强化除浊的同时，氨氮的率并没有受到影响。
图5 几种强化除浊方式对水中氨氮的效果
(1)通过投加 3种粒径的 13X分子筛可以看出，0．200 i／ln的分子筛对水中氨氮的效果好，投加量为 2．5g／L时，率可达 76．6％，不同粒径的分子筛对水中氨氮的差别较大。
(2)通过4种投加方式对比可以发现，先投加分子筛后投加混凝剂对水中氨氮的效果佳。
(3)投加分子筛水中浊度的同时，也增加了水的浊度，通过强化除浊处理，缩短快速搅拌的时间可以使出水的浊度率达到 96．3％，且不影响对氨氮的效果。
分子筛是一种具有立方晶格的硅铝酸盐化合物，主要由硅铝通过氧桥连接组成空旷的骨架结构，在结构中有很多孔径均匀的孔道和排列整齐、内表面积很大的空穴。此外还含有电价较低而离子半径较大的金属离子和化合态的水。由于水分子在加热后连续地失去，但晶体骨架结构不变，形成了许多大小相同的空腔，空腔又有许多直径相同的微孔相连，这些微小的孔穴直径大小均匀，能把比孔道直径小的分子吸附到孔穴的内部中来，而把比孔道大的分子排斥在外，
因而能把形状直径大小不同的分子、性程度不同的分子、沸点不同的分子、饱和程度不同的分子分离开来，即具有“筛分分子”的作用，故称为分子筛。分子筛作为一种人造沸石，含杂质少，具有比沸石的性能-1J。本文研究 l3x 分子筛对饮用水中氨氮的吸附效果及由于投加 13X分子筛对水中浊度的影响。
1 试法
本试验选用萍乡陶瓷化工填料厂购置的 13x(钠 x)分子筛，为直径2～3啪 的圆球型颗粒。为了便于混凝吸附，用研钵和分选筛将 13X分子筛研磨筛选成粒径不等的3种类型：0．500，0．200，0．074mm，用电子天平称量出相应的投加量进行试验。
1．1 水样
水样为某大学人工湖水，水中浊度符合试验要求，但氨氮低于试验要求的标准，在试验室采用氯化铵(NI~C1)来调整配制原水，配制水样的水质如表 1所示。
1．2 试验仪器及药品
WFJ21Oo型可见分光光度计(波长范围：190～850nm)；JJ一4A型六联自动升降搅拌仪；FAIOO4N电子天平称量(范围为0～100g)；聚合氯化铝(PAc)溶液，采用江苏宜兴化学有限公司生产的聚合氯化铝配制成 5mg／L的聚合氯化铝溶
液。
1．3 分子筛强化混凝试法
将一系列 1L的试验水样加人烧杯中，开启 JJ一4A型六联自动升降搅拌仪，经过陕速搅拌 1min(2：~r,／min)，分别投加一系列指定量分子筛颗粒或粉末，快速搅拌2min(250r／nfin)，然后在每个烧杯中加入指定量的混凝剂聚合氯化铝 (PAC)溶液(采用江苏宜兴化学有限公司生产的聚合氯化铝配制成5ms／L的聚合氯化铝溶液)，经过快速搅拌 2min(250r／min)，再慢速搅拌 15rain(60r／x~)，静沉 50min后，取距液面 2锄 处的上清液，测定氨氮(经过O．45pJn膜过滤)和浊度。
2 结果与讨论
2．1 3种不同粒径的13X分子筛对水中氨氮的情况
3种粒径的分子筛的投加量为 0．5，1．0，1．5，2．0，2．5，3．0 g／L，PAC的投加量为40mg／L。出水氨氮如图 1所示。从图1可以看出，0．200lnln粒径的分子筛的效果明显于另外两种粒径。分子筛强化混凝对氨氮的效果基本上是随着分子筛投加量的增加而提高。这主要是因为分子筛对
于氨氮具有良好的吸附特性，因此随着分子筛投加量的增加，其氨氮的效果也随之明显增加。当沸石粉的投加量达到2．5ms／L时，氨氮的率高可达 76．6％，且继续投加沸石粉氨氮的率趋于平稳。0．500 nln1分子筛投加后，在快速搅拌时间内与水样充分接触，但快速搅拌停止进入慢速搅拌段时，分子筛会迅速地沉淀到杯底，与水的接触时间较短，所以对水中氨氮的吸附时间较短，因此对氨氮的吸附量也较其他粒径的分子筛低。随着投加量的增加，开始氨氮的率不断增加，但达到大值后，随着投加量的增加率趋于平稳，可见大量的沉降和卷扫作用，使增加的投加量过多地沉入杯底。0．074mm的分子筛投加后，与水充分接触吸附；而投加混凝剂无法使分子粒径细小的分子筛
完全沉降，细小分子筛所吸附的氨氮也无法随沉降，故效果也不甚理想。O．200mln分子筛粒径适中，投加后，在慢速搅拌时，少量沉淀，大部分与混凝剂共同处于水中，保证了分子筛的充分吸附。可见粒径对氨氮起了决定性的作用。不同粒径的分子筛水中存在的稳定性不同，对氨氮的吸附程度也不同。
图1 3种不同粒径的 13X分子筛对水中氨氮情况
2．2 13X分子筛投加顺序不同对水中氨氮情况研究
确定了分子筛的投加量，从避免沸石粉对其溶解态物和氨氮的竞争吸附和避免分子筛被悬浮絮体包裹的角度来看，分子筛不宜投加在混凝前，投加点应尽量后移；但从分子筛与水体的混合、保证足够的吸附时间以及分子筛与水分离的角度来看，投加点应尽量前移 J。试验中，选择2个沸石粉投加点：①混凝之前，先投加分子筛(0．200him，2．5异／L)，快速搅拌 1min，然后再投加混凝剂 PAC(40ms／L)进行后续的絮凝沉淀反应；②混合反应 2mln后投加混凝剂(4oms／L)，快速搅拌混合 2min，再投加分子筛(O．200mm，2．5s／L)，然后继续进行余下的絮凝沉淀反应。为了进行比较，特安排投加混凝剂和投加分子筛的试验。试验结果如图2所示。
由图 2可见 ，4种投加方式中，先投加分子筛后投加混凝剂的投加方式氨氮的率相对较高。先投加分子筛，在快速混合阶段，使其与水充分接触、充分吸附；而投加混凝剂后再投加分子筛，在快速混合阶段，分子筛受到混凝剂形成絮体的干扰，分子筛球形表面与水的接触面积减小，其吸附通道受到混凝剂絮体的阻塞，从而吸附能力下降；单独投加分子筛，虽然能够与水充分接触，充分吸附水中的氨氮，但由于没有混凝剂的凝聚作用，完成吸附的分子筛细小粉末以浊度的形式存在于水中，氨氮的率仍然较低。
2．3 分子筛投加引起的浊度变化研究
经过研磨而成的不同粒径的分子筛为灰黄色的细碎粉末或颗粒，试验过程中加入 0．200mil的分子筛时，水样通体灰黄，色度、浊度均变大，加入混凝剂后，氨氮情况及出水的浊度变化情况如图 3所示。
从图 3可以看出，氨氮的率随着分子筛投加量的增
加不断增加直至率趋于平稳，出水的浊度随着分子筛投加量的增加也不断增加。浊度的增加一方面是由于机械搅拌的破碎作用，另一方面是由于水力浸泡和冲击，两种作用使分子筛表层脱落，投加混凝剂没有使浊度明显降低。至于选取分子筛氨氮引起的出水浊度过高，必须有效。
2．4 3种降低浊度试验
分子筛投加增加了氨氮的率，但也增加了浊度的难度。本试验通过增加混凝剂的投加量、投加助凝剂 PAM、缩短快速搅拌的时间研究浊度的率，采用O．2001分子筛与上述同等的一系列投加量，然后分别投加聚合氯化铝 5o
L、投加聚合氯化铝(4orag／L)$'I聚丙烯酰胺(0．4mg／L)~合液、快速搅拌的时间由原来的2rain缩短为 3os，3种降低浊度的方式结果如图4所示。
由图4可以看出，3种方式浊度的率对比未采用强化除浊方案时效果明显，通过缩短快速搅拌时间的方式浊度率高，分子筛的投加量为 1．5mg／L时，浊度的率高可达 96．3％，且出水浊度为 0．44NII5。根据上面的分析，浊度的增加是由于分子筛被机械破碎和水力冲击脱落造成，其破碎和脱落程度与快速高强度的搅拌时间有关，所以缩短快速搅拌时间对于水中浊度的非常关键，至于增加混凝剂投机量和投加助凝剂虽然相对未进行强化除浊时浊度的率增加许多，但并非降低浊度的关键原因。
在采用 3种方式除浊过程中，氨氮情况如图 5所示，3种方式对于氨氮的情况相对未进行强化除浊时变化不大，且呈现比较稳定的上升规律。可见在采用强化除浊的同时，氨氮的率并没有受到影响。
图5 几种强化除浊方式对水中氨氮的效果
(1)通过投加 3种粒径的 13X分子筛可以看出，0．200 i／ln的分子筛对水中氨氮的效果好，投加量为 2．5g／L时，率可达 76．6％，不同粒径的分子筛对水中氨氮的差别较大。
(2)通过4种投加方式对比可以发现，先投加分子筛后投加混凝剂对水中氨氮的效果佳。
(3)投加分子筛水中浊度的同时，也增加了水的浊度，通过强化除浊处理，缩短快速搅拌的时间可以使出水的浊度率达到 96．3％，且不影响对氨氮的效果。
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