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(chē)站比較分散,故每個(gè)站區(qū)都需要獨(dú)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(kāi)采,對(duì)天然錳砂的需求量日益增加,加之錳砂價(jià)值昂貴,產(chǎn)地較遠(yuǎn),運(yùn)輸困難,越來(lái)越不能滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要。因此,尋求一種價(jià)格低廉,取之方便,除鐵效果滿(mǎn)足要求的濾料成為鐵路地下水除鐵工藝中急待解決的問(wèn)題。下面,我們圍繞除鐵濾料的選擇,探討一下濾料對(duì)地下水除鐵的作用。

關(guān)鍵詞:錳砂;除鐵效果;催化劑

1天然錳砂本身對(duì)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(gè)觀點(diǎn)后來(lái)被發(fā)展為天然錳砂暴氣除鐵的經(jīng)典理論,這個(gè)理論認(rèn)為天然錳砂的除鐵過(guò)程是:(1)錳砂表面的二氧化錳被水中的溶解氧氧化為七價(jià)錳的氧化物。(2)七價(jià)錳的氧化物將水中的二價(jià)鐵氧化為三價(jià)鐵,同時(shí)本身還原為二氧化錳,用反應(yīng)式表達(dá)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(jìn)入濾池過(guò)濾,因而,可省去反應(yīng)池和沉淀池,受到普遍推廣。但是,在長(zhǎng)期的實(shí)踐中人們發(fā)現(xiàn)了許多與上述理論矛盾的現(xiàn)象。如:在除鐵過(guò)程中,錳砂表面逐步被棕黃色的鐵質(zhì)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(jīng)過(guò)一段時(shí)間的除鐵運(yùn)行后,錳砂表面被鐵銹所覆蓋,才開(kāi)始具有穩(wěn)定的除鐵能力;當(dāng)濾層反沖洗時(shí),如果反沖洗強(qiáng)度過(guò)大,時(shí)間過(guò)長(zhǎng),則其過(guò)濾水質(zhì)變差。這三個(gè)現(xiàn)象都可說(shuō)明表面清潔的錳砂濾料除鐵效果并不好,表面越潔凈,對(duì)亞鐵離子的催化作用越小。這使人們產(chǎn)生了懷疑,錳砂對(duì)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(zhì)。

2 “鐵質(zhì)活性濾膜”是催化劑

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在去除亞鐵離子的過(guò)程中,濾料表面會(huì)逐步附著一層鐵質(zhì)化合物,隨著這層鐵質(zhì)化合物數(shù)量的增加,濾層的除鐵效果明顯增強(qiáng),如果把這層鐵質(zhì)化合物重新沖洗掉,其除鐵效能降低。顯而易見(jiàn),這層鐵質(zhì)化合物對(duì)亞鐵離子的氧化有強(qiáng)烈的催化作用。

我們發(fā)現(xiàn),一個(gè)發(fā)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(zhì)。我們將表面附有疏松物質(zhì)的濾料與經(jīng)過(guò)認(rèn)真清洗表面不再有疏松物質(zhì)的濾料分別裝入兩根濾料試管中,實(shí)驗(yàn)證明帶有疏松物質(zhì)的濾料除鐵效果良好,而洗去疏松物質(zhì)的濾料濾后水質(zhì)很差。這表明起催化作用的不是內(nèi)層較密實(shí)的鐵質(zhì)化合物。而是表面疏松的鐵質(zhì)化合物,為方便起見(jiàn),將其稱(chēng)為“鐵質(zhì)活性濾膜”。

試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),如果把發(fā)育成熟的濾料取出后存放一段時(shí)間, 那么,表面“鐵質(zhì)活性濾膜”的催化作用就會(huì)相應(yīng)減弱。我們用三根濾管進(jìn)行試驗(yàn),一根裝入發(fā)育成熟的濾料馬上投入運(yùn)行,另外兩根分別擱置不同時(shí)間后再投入運(yùn)行,試驗(yàn)結(jié)果表明,擱置一段時(shí)間在運(yùn)行的濾料除鐵性能已大大降低,擱置時(shí)間越長(zhǎng),濾料的除鐵效能越差。此現(xiàn)象說(shuō)明,鐵質(zhì)濾膜尚有個(gè)“活性”問(wèn)題。即它的催化作用只有在連續(xù)的除鐵過(guò)程中才能發(fā)揮作用,并在這個(gè)過(guò)程中不斷覆蓋(或更新)新濾膜,才能使濾料永遠(yuǎn)保持活性。

既然起催化作用的是“鐵質(zhì)活性濾膜”,那么, 無(wú)論采用何種濾料,只要在濾料表面形成“鐵質(zhì)活性濾膜”,就可達(dá)到穩(wěn)定的除鐵效果,實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐都證明了這個(gè)事實(shí)。

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

3濾料品種對(duì)接觸氧化法除鐵的影響

濾料品種對(duì)除鐵效果的影響,主要表現(xiàn)在新濾料層的初期運(yùn)行,隨著除鐵運(yùn)行的繼續(xù),各種濾料的除鐵能力趨于接近,這時(shí),可以觀察到濾料的表面已呈棕黃色,即為“鐵質(zhì)活性濾膜”所包圍。這說(shuō)明在濾料表面的“鐵質(zhì)活性濾膜”未完全形成之前,濾料的品種對(duì)除鐵效果有一定的影響,但影響是短期的。一旦“鐵質(zhì)活性濾膜”包圍了濾料,濾料本身對(duì)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(wú)氧和有氧含鐵地下水進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果表明無(wú)論含鐵地下水中是否含有溶解氧,經(jīng)過(guò)濾層過(guò)濾,水中的亞鐵離子在一段時(shí)間內(nèi)都能全部或部分被去除。

我們還對(duì)有氧、無(wú)氧環(huán)境下同一濾料的除鐵能力進(jìn)行試驗(yàn),其結(jié)果是:同一種濾料的初期去鐵能力,無(wú)論是有氧或無(wú)氧都基本相同,這表明新濾料的初期除鐵能力與水中有無(wú)溶解氧無(wú)關(guān),而只與濾料本身的性質(zhì)有關(guān)。

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(duì)部分濾料的測(cè)定結(jié)果。其中:廣西馬山錳砂的初期運(yùn)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(wú)氧狀態(tài)下,新濾料層截留的鐵質(zhì)經(jīng)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(duì)濾膜形成的影響

試驗(yàn)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(xiàn)在:第一,新濾料表面的高鐵氫氧化物構(gòu)造非常密實(shí),過(guò)濾時(shí)阻力很小,當(dāng)濾料中截留的鐵質(zhì)數(shù)量相同時(shí),新濾料濾層的水力阻抗比隨著濾膜的濾層要小數(shù)十倍。第二,在新濾料表面最初形成的高鐵氫氧化物并沒(méi)有強(qiáng)烈的催化活性。

那么,濾料初期的吸附能力與“鐵質(zhì)活性濾膜”形成之間的關(guān)系到底如何呢?我們通過(guò)六種濾料對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明:相同的水質(zhì),不同的濾料,盡管初期吸附能力不同,但濾料表面形成“鐵質(zhì)活性濾膜”的時(shí)間基本相同。

即:不同品種的濾料,只要經(jīng)過(guò)大致相同時(shí)間的除鐵運(yùn)行,都能在其表面自然形成具有強(qiáng)類(lèi)催化作用的“鐵質(zhì)活性濾膜”。

4總結(jié)

天然錳砂、河砂、煤等濾料一般都不具備對(duì)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(zhì)活性濾膜”。任何濾料,只要附著有這種濾膜,都具有穩(wěn)定的除鐵能力。

不同品種的濾料本身對(duì)亞鐵離子有不同的吸附能力,在新濾料運(yùn)行初期對(duì)除鐵效果有一定影響。當(dāng)?shù)叵滤泻F量不高時(shí),采用錳砂濾料可獲得理想的初期出水。但當(dāng)原水含鐵濃度很高時(shí),濾料品種不同對(duì)初期出水水質(zhì)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(zhì)活性濾膜”的時(shí)間無(wú)關(guān)。

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(jià)格和濾料作為截體的條件。