隨著(zhù)我國社會(huì )和經(jīng)濟的高速發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題日益突出，尤其是城市水環(huán)境的惡化，加劇了水資源的短缺，影響著(zhù)人民群眾的身心健康，已經(jīng)成為城市可持續發(fā)展的嚴重制約因素。近年來(lái)，國家和地方政府非常重視水環(huán)境的保護，正以前所未有的速度推進(jìn)城市污水處理工程的建設，有數百座污水處理廠(chǎng)正在工程設計和建設中，在這一進(jìn)程中，城市污水處理工藝的選擇，將是工程界面臨的首要問(wèn)題。
城市污水中主要污染物包括需氧有機物、懸浮物病原體、氮磷等。需氧有機物可降低水體含氧量，使細菌滋生，惡化水質(zhì)，造成水體變臭。目前，除去污水中有機物的方法主要有物理化學(xué)吸附法、化學(xué)法和生物法。其中，物理化學(xué)吸附法因具有投資小、工藝操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)而被廣泛采用。筆者研究采用我國蘊藏豐富的煤系高嶺巖(土)作為吸附劑處理城市污水〔1〕。煤系高嶺巖(土)的吸附作用主要有化學(xué)吸附和物理吸附�；瘜W(xué)吸附主要是由于煤系高嶺巖(土)表面存在大量的鋁、硅等活性點(diǎn)，能與吸附質(zhì)通過(guò)化學(xué)鍵發(fā)生結合; 物理吸附是指煤系高嶺巖(土)與吸附質(zhì)(污染物質(zhì))間通過(guò)分子間引力產(chǎn)生吸附，這一作用主要取決于煤系高嶺巖(土)的多孔性和比表面積，比表面積越大，吸附效果越好。筆者通過(guò)焙燒，一方面脫去煤系高嶺土中的有機碳和其他雜質(zhì)礦物;另一方面脫去煤系高嶺土中所含水分、羥基，這樣可在煤系高嶺土表面和內部形成大量的微孔，使其表面呈蜂窩狀結構，這些暴露于表面的孔穴對水體和空氣中的化學(xué)物質(zhì)具有一定的吸附性能，而對于內部的孔穴則因為次外層薄膜的屏蔽、阻擋而只有很小的吸附性能，為了提高其空隙率和比表面積，本實(shí)驗采用硫酸活化的方法。
筆者通過(guò)改變焙燒時(shí)間、焙燒溫度、煤系高嶺土顆粒和硫酸濃度大小來(lái)找出煤系高嶺土吸附處理生活污水的最佳條件，旨在拓寬煤系高嶺土應用領(lǐng)域，為煤系高嶺土吸附法處理生活污水提供理論依據。
1 實(shí)驗部分
1.1 實(shí)驗原料與儀器
1.1.1 實(shí)驗原料
城市生活污水取自?xún)冉秀由钗鬯欧趴�，原水水質(zhì)如表 1 所示。
煤系高嶺土取自四川省樂(lè )山市沙灣區俊江礦業(yè)有限公司。煤系高嶺土的化學(xué)成分如表 2 所示。
1.1.2 主要實(shí)驗儀器
722N 型可見(jiàn)紫外分光光度計，上海精密科學(xué)儀器有限公司;pHSJ-3F 型pH 計，上海精密科學(xué)儀器有限公司;HY-3 型多功能調速多用振蕩器，金壇市億通電子有限公司;SX2-5-12 型馬弗爐，天津市科學(xué)器材設備廠(chǎng);高速超細粉碎機，日本佑崎有限公司。
1.2 煤系高嶺土活化工藝路線(xiàn)
煤系高嶺土活化工藝路線(xiàn)如圖 1 所示。
圖 1 實(shí)驗工藝流程
1.3 實(shí)驗方法
正交實(shí)驗設計采用L16(45)正交表進(jìn)行實(shí)驗〔2〕，考察焙燒溫度(A)、焙燒時(shí)間(B)、顆粒大小(C) 、硫酸質(zhì)量分數(D)對煤系高嶺土吸附城市生活污水中有機物的吸附率的影響，COD 采用重鉻酸鉀法測定〔3〕。因素水平詳見(jiàn)表 3。
2 結果與討論
正交實(shí)驗結果見(jiàn)表 4。表 4 中K 為各因素下相同水平的指標之和，S 為各因素方差，fj 為自由度， F 比為(Sj /fj )/(Se/fe)，T 為所有實(shí)驗結果指標的總和。
由表 4 綜合分析可知，煤系高嶺土焙燒活化最佳條件為：A3B2C4D4 ，即焙燒溫度為700 ℃，焙燒時(shí)間為30 min，顆粒大小為0.106 mm(150 目)，硫酸質(zhì)量分數為80%。在最佳條件下進(jìn)行實(shí)驗得煤系高嶺土吸附城市生活污水中有機物的吸附率為 98.962%，要弱高于正交實(shí)驗中實(shí)驗9 號的98.0%。因此本實(shí)驗的最優(yōu)組合為A3B2C4D4。各因素對吸附率影響的主次順序為：焙燒溫度(A)、顆粒大小(C)、硫酸質(zhì)量分數(D)、焙燒時(shí)間(B)。
2.1 焙燒溫度對吸附率的影響
由表 4 可知，當焙燒溫度在600~700 ℃時(shí)，吸附率隨焙燒溫度的升高而不斷增加，當焙燒溫度為700 ℃時(shí)，吸附率達到最大值，此后隨著(zhù)溫度的升高吸附率反而下降。這是由于煤系高嶺土經(jīng)歷到700℃ 高溫焙燒過(guò)程中，煤系高嶺土中的高嶺石會(huì )發(fā)生一系列強烈的吸熱和脫水反應〔4〕，從而生成了非晶質(zhì) SiO2 和具有活性的γ-Al2O3，煤系高嶺土的表面和內在的空隙率大大提高，生成的γ-Al2O3 能與硫酸發(fā)生反應，生成具有吸附性能的膠狀物質(zhì)，使煤系高嶺土的吸附性能極大提高。當溫度高于750 ℃時(shí)，吸附率反而下降，出現這種情況主要是因為溫度過(guò)高會(huì )使無(wú)定形SiO2 和γ-Al2O3 轉變成結晶相石英及莫來(lái)石〔4〕，石英和莫來(lái)石不能與硫酸發(fā)生反應，使煤系高嶺土的吸附能力極大喪失。
2.2 焙燒時(shí)間對吸附率的影響
由表 4 可知，當焙燒時(shí)間在15～30 min 時(shí)，隨著(zhù)焙燒時(shí)間的延長(cháng)煤系高嶺土對城市生活污水中有機物的吸附率不斷增大，當焙燒時(shí)間超過(guò)30 min 時(shí)，吸附率隨著(zhù)焙燒時(shí)間的延長(cháng)不斷減小。這是由于當焙燒時(shí)間為15～30 min 時(shí)，隨著(zhù)焙燒時(shí)間的延長(cháng)煤系高嶺土中的高嶺石能不斷生成非晶質(zhì)SiO2 和具有活性的γ-Al2O3;當焙燒時(shí)間超過(guò)30 min 時(shí)，隨著(zhù)焙燒時(shí)間的延長(cháng)非晶質(zhì)SiO2 和具有活性的γ-Al2O3 不斷轉變成結晶相石英及莫來(lái)石，從而使煤系高嶺土吸附城市生活污水中有機物的吸附率不斷降低。
2.3 顆粒大小對吸附率的影響
由表 4 可知當煤系高嶺土的顆粒在0.25~0.18mm (60~80 目)時(shí)，吸附率急速增長(cháng)，從0.18~0.106 mm (80～150 目)時(shí)，吸附率增長(cháng)緩慢。這是由于煤系高嶺土顆粒越細，比表面積就越大，反應就越充分。當煤系高嶺土的顆粒在0.25~0.18mm(60～80 目)時(shí)，焙燒時(shí)就越容易生成非晶質(zhì)SiO2 和具有活性的γ- Al2O3，因此也容易與硫酸反應生成硅酸鋁凝膠使其吸附性能增強，同時(shí)煤系高嶺土的表面積越大，也越容易吸附污水中的有機物，所以此時(shí)隨著(zhù)煤系高嶺土顆粒的增大吸附率急速增長(cháng);當煤系高嶺土的粒徑為0.18~0.106 mm(80～150 目)時(shí)，焙燒時(shí)生成的非晶質(zhì)SiO2 和具有活性的γ-Al2O3 越容易轉變成結晶相石英及莫來(lái)石，使其吸附性能大大減弱，因此盡管煤系高嶺土的比表面積不斷增大，但其吸附率增加緩慢。
2.4 硫酸濃度對吸附率的影響
由表 4 可知，當硫酸濃度不斷增大時(shí)，吸附率也不斷增大。這是由于硫酸能溶解煤系高嶺土中的γ- Al2O3、FeO 等堿性氧化物，生成硫酸鋁等具有混凝作用的鹽類(lèi); 另一方面酸浸煤系高嶺土還可使其表面微孔內變得粗糙，比表面積增加，打開(kāi)煤系高嶺土封閉的孔道，增加孔隙率。濃度越高的硫酸，其酸性、氧化性、炭化性越強，因而經(jīng)其處理后的煤系高嶺土對城市生活污水中有機物的吸附率就越高〔5〕。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結論
通過(guò)5 因素4 水平的正交實(shí)驗，確定了焙燒條件對煤系高嶺土吸附城市生活污水中有機物的影響順序分別為焙燒溫度(A)、顆粒大小(C)、硫酸質(zhì)量分數(D)、焙燒時(shí)間(B)。
當焙燒溫度為700 ℃、焙燒時(shí)間為30 min、顆粒大小為0.106 mm(150 目)、硫酸質(zhì)量分數為80%時(shí)，為最佳條件，在最佳條件下進(jìn)行實(shí)驗得煤系高嶺土吸附城市生活污水中有機物的吸附率為98.962%。
