石英砂滤料干法表面改性与除油性能研究

发布时间：2017-09-26 03:37

  本文关键词：石英砂滤料干法表面改性与除油性能研究

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【摘要】：含油废水是一类重要的难降解有机废水,其来源广泛。过滤法是一种常用的含油废水处理方法,水处理滤料表面润湿性对含油废水过滤的处理效率具有重要作用。常用的天然石英砂滤料极性较强,为亲水性物质,对含油废水的处理效率较低;为了提高含油废水的处理效率,需改善石英砂滤料表面的亲油疏水性。研究表明,利用改性剂对粉体颗粒表面进行物理化学改性,能改善颗粒在其他物质中的分散性。本论文在前期湿法改性研究的基础上,将改性剂溶液喷洒在改性设备中充分分散的干燥滤料颗粒表面,研究可用于基础应用研究和工业应用的石英砂滤料干法表面改性工艺。采用单因素试验法,选用常见的钛酸酯DN101、硅烷偶联剂KH570以及钛酸酯偶联剂DN101与硅烷偶联剂KH550复合对0.45~0.90 mm的石英砂滤料进行干法表面改性,以亲油亲水比(LHR)表征石英砂滤料亲油疏水性的大小。通过含油废水的静态吸附实验和动态过滤实验,考察改性前后石英砂滤料的吸附性能和除油效率,以及LHR、吸附容量和除油效率三者之间的关系,为改性滤料用于废水处理提供理论依据和数据支撑。(1)根据Laplace和Young方程中关于润湿性的基本方程,以水和环己烷表征水相和油相,采用动态质量法测定水相和油相对石英砂滤料的润湿接触角,以LHR表征滤料亲油疏水性的大小,并推导了动态质量法计算LHR的公式,0.45~0.90 mm天然石英砂滤料LHR为1.25。LHR(2)DN101干法表面改性石英砂滤料工艺的最佳条件为:偶联剂用量1.2%,反应时间70 min,反应温度60℃;DN101与KH550复合干法表面改性石英砂滤料的最佳条件为:偶联剂总用量1.0%,偶联剂质量配比1:2,反应时间50 min,反应温度60℃;KH570干法表面改性石英砂滤料的最佳条件为:偶联剂用量1.5%,反应时间50 min,反应温度60℃。改性效果最佳的DN101、DN101与KH550复合、KH570干法表面改性石英砂滤料LHR分别为11.1、7.4、5.0。改性后水对石英砂滤料的润湿质量明显降低,环己烷对石英砂滤料的润湿质量基本不变。(3)扫描电镜(SEM)、电子能谱(XPS)和红外光谱分析(FTIR)结果表明:偶联剂干法表面改性石英砂滤料表面均匀包覆一层偶联剂分子颗粒,表面较为平整,棱角减少,阶梯状断口消失。天然石英砂滤料由Si和O元素以Si O2形式组成,其表面存在以结合水形式存在的Si-OH;改性石英砂滤料表面均存在C、O、Si元素,DN101、DN101与KH550复合改性石英砂滤料表面存在Ti元素。偶联剂与石英砂滤料表面羟基发生缩合反应,偶联剂分子以化学键的方式接枝在石英砂滤料表面,形成了稳定的分子涂层。(4)含油废水静态吸附实验和动态过滤实验结果表明,天然石英砂滤料经偶联剂干法表面改性后,其静态吸附容量和动态过滤除油效率均得到提高,吸附容量增长幅度大于过滤除油效率增长幅度,且LHR值、吸附容量和过滤除油效率三者之间呈正相关关系。DN101干法表面改性石英砂滤料三项数值均为几种石英砂滤料中最高,改性效果最佳。(5)静态吸附实验结果表明,石英砂滤料对15.6 mg·L~(-1)含油废水吸附平衡时间约为270 min。吸附平衡时,天然石英砂滤料吸附容量为0.244 mg·g~(-1),DN101、DN101与KH550复合改性石英砂滤料的吸附容量达到0.418 mg·g~(-1)、0.389 mg·g~(-1),较未改性石英砂滤料分别提高了71%和59%。改性石英砂滤料对含油废水的最大吸附容量与其油废水浓度呈线性正相关。(6)动态过滤实验结果表明,石英砂滤料层为90 cm,空床滤速为4 m·h~(-1),过滤17.3 mg·L~(-1)的含油废水4 h时,未改性石英砂滤料除油效率约为72.6%,DN101、DN101与KH550复合和KH570改性石英砂滤料除油效率分别达到97.8%、82.6%和78.9%,较未改性时分别提高了34.7%、13.8%和8.7%。DN101干法表面改性石英砂过滤实验结果表明,其除油效率和水头损失与滤料层高度成正比关系,与过滤滤速和初始油浓度成反比关系。
【关键词】：石英砂滤料 润湿性 亲油亲水比 干法表面改性 过滤 含油废水
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 绪论12-21
• 1.1 课题的提出及研究意义12-14
• 1.1.1 课题的提出12
• 1.1.2 研究目的及意义12-13
• 1.1.3 研究内容及结构13-14
• 1.1.4 课题的来源和创新点14
• 1.2 含油废水的处理方法14-19
• 1.2.1 含油废水的来源14
• 1.2.2 含油废水的分类及其危害14-16
• 1.2.3 含油废水处理技术16-19
• 1.3 过滤理论及其发展19-21
• 1.3.1 过滤理论19-20
• 1.3.2 过滤技术及其发展20-21
• 2 滤料干法表面改性和偶联剂的应用21-26
• 2.1 前言21
• 2.2 表面改性的研究21-23
• 2.2.1 表面改性方法21-22
• 2.2.2 表面改性剂22-23
• 2.2.3 表面改性工艺23
• 2.3 偶联剂的应用23-26
• 2.3.1 硅烷偶联剂23-24
• 2.3.2 钛酸酯偶联剂24-26
• 3 滤料表面润湿性的测定26-33
• 3.1 前言26
• 3.2 润湿性理论26-29
• 3.2.1 润湿类型26-28
• 3.2.2 接触角和Young-Laplace方程28-29
• 3.3 粉体接触角的测定29-31
• 3.4 实验方案的确定31-33
• 3.4.1 亲油亲水比31
• 3.4.2 实验部分31-33
• 4 偶联剂干法表面改性石英砂滤料的研究33-49
• 4.1 钛酸酯偶联剂DN101干法表面改性的研究33-37
• 4.1.1 改性机理33-34
• 4.1.2 实验部分34-35
• 4.1.3 结果与讨论35-37
• 4.2 钛酸酯偶联剂DN101、硅烷偶联剂KH550复合干法改性的研究37-42
• 4.2.1 改性机理37-39
• 4.2.2 实验部分39
• 4.2.3 结果与讨论39-42
• 4.3 硅烷偶联剂KH570干法表面改性的研究42-47
• 4.3.1 改性机理43-44
• 4.3.2 实验部分44
• 4.3.3 结果与讨论44-47
• 4.4 本章小结47-49
• 5 石英砂滤料表征49-57
• 5.1 前言49
• 5.2 实验部分49
• 5.2.1 实验材料与试剂49
• 5.2.2 实验仪器49
• 5.3 实验结果与讨论49-56
• 5.3.1 扫描电子显微镜（SEM）49-51
• 5.3.2 X射线能量色散谱（EDS）51-52
• 5.3.3 多功能电子能谱（XPS）52-54
• 5.3.4 红外光谱分析（FTIR）54-56
• 5.4 本章小结56-57
• 6 石英砂滤料除油实验研究57-69
• 6.1 前言57
• 6.2 实验部分57-60
• 6.2.1 实验材料与试剂57
• 6.2.2 实验仪器57
• 6.2.3 工作曲线的绘制57-58
• 6.2.4 含油废水的配制58
• 6.2.5 静态吸附试验58
• 6.2.6 动态过滤实验58-60
• 6.3 结果与讨论60-68
• 6.3.1 工作曲线60-61
• 6.3.2 静态吸附实验61-64
• 6.3.3 动态过滤实验64-68
• 6.4 本章小结68-69
• 结论与建议69-72
• 1 结论69-71
• 2 建议71-72
• 致谢72-73
• 参考文献73-76
• 攻读学位期间的研究成果76

【参考文献】

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本文编号：921280