接觸氧化法除鐵的濾料選擇

陳　旭

摘要:哈爾濱鐵路局地處松花江流域,地下水中含鐵量較高,由于鐵路的車站比較分散,故每個站區都需要獨立的除鐵凈水裝置。在我們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,對天然錳砂的需求量日益增加,加之錳砂價值昂貴,產地較遠,運輸困難,越來越不能滿足生產的需要。因此,尋求一種價格低廉,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,探討一下濾料對地下水除鐵的作用。

關鍵詞:錳砂;除鐵效果;催化劑

1天然錳砂本身對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,這個觀點后來被發展為天然錳砂暴氣除鐵的經典理論,這個理論認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錳的氧化物。(2)七價錳的氧化物將水中的二價鐵氧化為三價鐵,同時本身還原為二氧化錳,用反應式表達為:

3MnO2+O2→MnO Mn2O7

MnO Mn2O7+4Fe2++2H2O→3MnO2+4Fe3++4OH-

由于天然錳砂接觸氧化法除鐵不要求暴氣,原水可直接進入濾池過濾,因而,可省去反應池和沉淀池,受到普遍推廣。但是,在長期的實踐中人們發現了許多與上述理論矛盾的現象。如:在除鐵過程中,錳砂表面逐步被棕黃色的鐵質化合物所包圍,但除鐵效能并未因錳砂表面被覆蓋而減弱;新錳砂濾料初期除鐵效果并不好,只有經過一段時間的除鐵運行后,錳砂表面被鐵銹所覆蓋,才開始具有穩定的除鐵能力;當濾層反沖洗時,如果反沖洗強度過大,時間過長,則其過濾水質變差。這三個現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,對亞鐵離子的催化作用越小。這使人們產生了懷疑,錳砂對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。

2 “鐵質活性濾膜”是催化劑

試驗發現,在去除亞鐵離子的過程中,濾料表面會逐步附著一層鐵質化合物,隨著這層鐵質化合物數量的增加,濾層的除鐵效果明顯增強,如果把這層鐵質化合物重新沖洗掉,其除鐵效能降低。顯而易見,這層鐵質化合物對亞鐵離子的氧化有強烈的催化作用。

我們發現,一個發育成熟的濾料,除核心為原濾料外,外層是一些疏松狀的物質。我們將表面附有疏松物質的濾料與經過認真清洗表面不再有疏松物質的濾料分別裝入兩根濾料試管中,實驗證明帶有疏松物質的濾料除鐵效果良好,而洗去疏松物質的濾料濾后水質很差。這表明起催化作用的不是內層較密實的鐵質化合物。而是表面疏松的鐵質化合物,為方便起見,將其稱為“鐵質活性濾膜”。

試驗還發現,如果把發育成熟的濾料取出后存放一段時間, 那么,表面“鐵質活性濾膜”的催化作用就會相應減弱。我們用三根濾管進行試驗,一根裝入發育成熟的濾料馬上投入運行,另外兩根分別擱置不同時間后再投入運行,試驗結果表明,擱置一段時間在運行的濾料除鐵性能已大大降低,擱置時間越長,濾料的除鐵效能越差。此現象說明,鐵質濾膜尚有個“活性”問題。即它的催化作用只有在連續的除鐵過程中才能發揮作用,并在這個過程中不斷覆蓋(或更新)新濾膜,才能使濾料永遠保持活性。

既然起催化作用的是“鐵質活性濾膜”,那么, 無論采用何種濾料,只要在濾料表面形成“鐵質活性濾膜”,就可達到穩定的除鐵效果,實驗和生產實踐都證明了這個事實。

綜上所述,起催化作用的不是濾料本身,而是“鐵質活性濾膜”。那么,濾料品種對除鐵效果有什么影響呢?

3濾料品種對接觸氧化法除鐵的影響

濾料品種對除鐵效果的影響,主要表現在新濾料層的初期運行,隨著除鐵運行的繼續,各種濾料的除鐵能力趨于接近,這時,可以觀察到濾料的表面已呈棕黃色,即為“鐵質活性濾膜”所包圍。這說明在濾料表面的“鐵質活性濾膜”未完全形成之前,濾料的品種對除鐵效果有一定的影響,但影響是短期的。一旦“鐵質活性濾膜”包圍了濾料,濾料本身對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,曾用無氧和有氧含鐵地下水進行對比試驗,結果表明無論含鐵地下水中是否含有溶解氧,經過濾層過濾,水中的亞鐵離子在一段時間內都能全部或部分被去除。

我們還對有氧、無氧環境下同一濾料的除鐵能力進行試驗,其結果是:同一種濾料的初期去鐵能力,無論是有氧或無氧都基本相同,這表明新濾料的初期除鐵能力與水中有無溶解氧無關,而只與濾料本身的性質有關。

濾料品種不同,其初期除鐵能力亦有很大差異,表1是我們對部分濾料的測定結果。其中:廣西馬山錳砂的初期運行除鐵能力最大,為5000毫克鐵/升濾料,而石英砂最差,僅為24毫克鐵/升濾料。

在無氧狀態下,新濾料層截留的鐵質經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濾料品種對濾膜形成的影響

試驗表明,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,表現在:第一,新濾料表面的高鐵氫氧化物構造非常密實,過濾時阻力很小,當濾料中截留的鐵質數量相同時,新濾料濾層的水力阻抗比隨著濾膜的濾層要小數十倍。第二,在新濾料表面最初形成的高鐵氫氧化物并沒有強烈的催化活性。

那么,濾料初期的吸附能力與“鐵質活性濾膜”形成之間的關系到底如何呢?我們通過六種濾料對比實驗證明:相同的水質,不同的濾料,盡管初期吸附能力不同,但濾料表面形成“鐵質活性濾膜”的時間基本相同。

即:不同品種的濾料,只要經過大致相同時間的除鐵運行,都能在其表面自然形成具有強類催化作用的“鐵質活性濾膜”。

4總結

天然錳砂、河砂、煤等濾料一般都不具備對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。

在接觸氧化法除鐵中,起作用的是在濾料表面自然形成的“鐵質活性濾膜”。任何濾料,只要附著有這種濾膜,都具有穩定的除鐵能力。

不同品種的濾料本身對亞鐵離子有不同的吸附能力,在新濾料運行初期對除鐵效果有一定影響。當地下水中含鐵量不高時,采用錳砂濾料可獲得理想的初期出水。但當原水含鐵濃度很高時,濾料品種不同對初期出水水質的影響并不明顯。

濾料本身吸附能力的大小和濾料表面自然形成“鐵質活性濾膜”的時間無關。

錳砂、石英砂、煤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、價格和濾料作為截體的條件。