铁铝钛复合改性石英砂滤料制备工艺优化与吸附特性研究

摘要

微污染物难以通过常规水处理工艺去除。过滤是常规工艺的最后一道屏障。滤料表面的吸附截留性能是影响出水水质的重要因素之一。本课题通过使用FeCl3,AlCl3和TiCl4的乙醇溶液作为改性剂，对最常用的滤料普通石英砂(Raw quartz sand，RQS)表面进行改性，以表面金属总负载量、改性剂附着率以及腐植酸去除率为评价指标，通过正交试验与连续性试验等方法，制备了铁铝钛复合改性石英砂(Metallicoxide composite modified quartz sand，MCMS)，以提高其对微污染物的吸附截留效果。试验结果如下:
　　(1)铁铝钛复合改性石英砂的制备工艺流程为:首先，改性剂FeCl3溶液对RQS进行第一次改性，在RQS表面形成氧化铁晶体层。然后，以AlCl3溶液和TiCl4乙醇溶液按一定比例混合形成复合改性剂，对氧化铁晶体层进行第二次改性，制备出铁铝钛复合改性石英砂。
　　(2)结合SEM照片与XRD能谱分析，得到MCMS的最佳制备工艺条件为:改性剂FeCl3溶液、AlCl3溶液和TiCl4乙醇溶液与RQS的投加比C1、C2和C3分别是0.16 mL·g-1RQS、0.10 mL·g-1RQS以及0.03 mL·g-1RQS;煅烧温度与煅烧时间分别是T=240℃，t=2h。最佳制备条件下，MCMS表面金属总负载量为934μg/g，改性剂附着率达到97.04％。MCMS对腐植酸的去除率高达98.67％.
　　(3) SEM电镜扫描结果表明，MCMS的表面晶体呈瘤球状，金属晶体均匀覆盖于载体滤料表面，稳定性强，比表面积大。EDS能谱分析结果显示，MCMS表面氧化物组成可能是Fe2O3, TiO2, Al2O3、SiO2和FeO(OH)或AlO(OH)。MCMS比表面积SBET，分别是IOCS与RQS对应值的3.38倍和39.10倍。MCMS表面金属氧化物X射线衍射仪物相鉴定结果显示，表面氧化物组合为α-Fe2O3，AlO(OH)和AnataseTiO2，该组合能在水环境中产生大量羟基，是IOCS对腐植酸去除率的1.5倍。
　　(4) MCMS对腐植酸的平均吸附率达到91.56％，当原水腐植酸浓度为11.29mg/L时，MCMS的去除率达到97.25％。对MCMS的吸附过程使用Langmuir和Freundlich两种吸附曲线拟合，R2值均大于0.9，但前者对应的R2值相对较大。MCMS对微污染物的吸附过程同时存在物理的和化学的吸附作用，但以化学吸附作用为主。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景和意义

1．2 传统改性滤料的特点

1．3 改性剂与复合改性剂

1．3．1 改性剂

1．3．2 复合改性剂

1．4 表面改性技术与表面性能表征

1．5 国内外研究现状

1．5．1 改性滤料在国内外的研究现状

1．5．2 复合改性滤料在国内外的研究现状

1．6 研究目的与内容

1．6．1 研究目的

1．6．2 研究内容

1．6．3 研究技术路线

1．7 课题来源

第二章 试验材料、设备和方法

2．1 试验材料及设备

2．1．1 试验材料

2．1．2 试验仪器及设备

2．2 试验方法

2．2．1 铁铝钛复合改性石英砂(MCMS)制备试验

2．2．2 静态吸附试验

2．2．3 常压过滤与反冲洗试验

2．3 指标测定方法

2．3．1 二氮杂菲分光光度法测铁

2．3．2 铬天青S分光光度法测铝

2．3．3 电感耦合等离子体发射光谱仪测钛

2．3．4 MCMS表面金属总负载量、附着强度及腐植酸去除率的测定

2．4 表面形态学特征观察与检测方法

2．4．1 SEM扫描电镜及X射线能谱分析

2．4．2 X射线衍射仪(XRD)试验

2．4．3 BET比表面积测定法

2．5 本章小结

第三章 铁铝钛复合改性石英砂最佳制备工艺研究

3．1 铁铝钛复合改性石英砂制备方法的确定

3．1．1 几种改性石英砂的制备

3．1．2 几种改性石英砂的表面形态

3．1．3 铁铝钛复合改性石英砂制备方法的确定

3．2 多因素正交试验

3．2．1 正交试验水平因素

3．2．2 正交试验结果与分析

3．3 单因素的连续性试验

3．3．1 FeCl3溶液投加比C1的影响

3．3．2 AlCl3溶液投加比C2的影响

3．3．3 TiCl4乙醇溶液投加比C3的影响

3．3．4 煅烧温度T的影响

3．3．5 煅烧时间t的影响

3．4 本章小结

第四章 MCMS表面形态与性能研究

4．1 利用SEM与EDS观察检测砂子表面形态及物质含量

4．2 表面金属氧化物物相鉴定

4．2．1 表面金属氧化物物相及性能分析

4．3 BET比表面积测定

4．3．1 比表面积测定结果与分析

4．4 本章小结

第五章 MCMS的吸附特性研究

5．1 静态吸附试验简介

5．2 静态吸附试验方法

5．3 试验结果与分析

5．4 本章小结

结论与建议

结论

建议

参考文献

攻读硕士学位期间申请的专利

声明

致谢