磁分離法處理餐飲污水的除油機(jī)理
采用磁分離技術(shù)處理廚房污水可獲得良好的除油效果。目前，對(duì)磁分離法處理污水的研究多集中于分離機(jī)理方面，而關(guān)于除油機(jī)理尤其是磁粉在這一過程中與油類物質(zhì)的作用鮮見報(bào)道。
1 試驗(yàn)內(nèi)容和方法
1.1 試驗(yàn)材料及儀器
餐飲污水：取自廣州某酒樓經(jīng)隔油池處理后的出水；磁粉：化學(xué)純，F(xiàn)e3O4含量≥95%；混凝劑：硫酸鐵和硫酸鋁按1∶1混合后配成含量為10%的水溶液；JTZ-2型混凝試驗(yàn)攪拌器。
1.2 試驗(yàn)流程及分析方法
試驗(yàn)流程如圖1所示。
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經(jīng)計(jì)量泵連續(xù)泵入反應(yīng)槽后開動(dòng)攪拌裝置，連續(xù)加入磁粉及混凝劑，產(chǎn)生的磁性絮體連同污水經(jīng)計(jì)量泵進(jìn)入磁分離器。磁分離器由內(nèi)槽和外槽組成，水流先進(jìn)入內(nèi)槽，再從內(nèi)槽底部開孔處流入外槽，并從外槽上部溢出，磁性絮體則在水流流經(jīng)內(nèi)槽底部開孔時(shí)進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)被截留下來，因而需定期打開槽下部的污泥閥排泥。含油量測(cè)定采用重量法。
1.3 試驗(yàn)條件
污水水質(zhì)：含油量為194mg/L，SS為398mg/L；流量：53mL/min；磁粉加入量：250mg/L；混凝劑加入量：1.3mL/L；磁分離場(chǎng)強(qiáng)：450×10-4T。
1.4 試驗(yàn)結(jié)果
連續(xù)處理10L餐飲含油污水，結(jié)果見圖2。
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由圖2看出，磁粉的加入使出水含油量降至7mg/L，比不加磁粉減少了約13mg/L，達(dá)到了含油量＜10mg/L的排放標(biāo)準(zhǔn)，這也充分證明了磁粉的加入不僅使采用磁分離技術(shù)處理含油污水成為可能，而且對(duì)油的去除大有裨益。
2 磁粉除油機(jī)理
試驗(yàn)所處理的餐飲污水中大部分浮油已被隔油池除去，因此只考慮懸浮態(tài)和乳化態(tài)油即可。
2.1 破乳除油
① 試驗(yàn)驗(yàn)證
為考察磁粉對(duì)乳化態(tài)油的去除作用，配制了含乳化油污水進(jìn)行試驗(yàn)。在1500mL自來水中加入4.5mL油及300mg/L陰離子表面活性劑，混合后置于乳化機(jī)中高速攪拌(轉(zhuǎn)速＞7000r/min)10min，制成含油量為265mg/L、乳白色的完全乳化含油污水。
取該污水400mL投加磁粉250mg/L，以170r/min的攪拌速度攪拌15min后于450×10-4T的磁感應(yīng)強(qiáng)度下分離20min，棄去污水而保留磁粉，重新加入配好的污水，用該磁粉重復(fù)上述試驗(yàn)3次后測(cè)上、下兩層各200mL污水的含油量，上層為296mg/L，下層為184mg/L。比較上、下兩層的含油量可以看出，經(jīng)過磁粉處理后上層含油量比下層高出112mg/L，這說明一部分原本以乳化狀態(tài)均勻分散于整個(gè)溶液中的油滴由于被磁粉吸附了覆蓋于油滴表面的表面活性劑而破乳浮到液面，使得上、下兩層產(chǎn)生了油濃度差。
② 機(jī)理分析
取自來水700mL加入300mg/L的陰離子表面活性劑，高速攪拌10min制成含乳化油為180mg/L的污水，加入細(xì)粒磁粉和少量KCl，稍微攪拌即成所需電泳液。取該電泳液電泳測(cè)正、負(fù)極管的含油量。
試驗(yàn)條件：電壓為40V，電流為46mA，時(shí)間為30min！ ≡囼(yàn)結(jié)果見表1。
表1 電泳試驗(yàn)結(jié)果
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由表1可見，電泳使得正、負(fù)極管出現(xiàn)了油濃度差。正極管的含油量比溶液主體和負(fù)極管均要高，這是由于在乳化過程中油滴吸附了表面活性劑而帶負(fù)電同時(shí)被乳化，在電場(chǎng)的作用下帶負(fù)電的油滴不斷向正極移動(dòng)使得正極油濃度上升，而磁粉則帶與油滴相反的正電荷。正、負(fù)極管的不同現(xiàn)象也說明了這一點(diǎn)。
包裹表面活性劑(制含油污水時(shí)所用的乳化劑)的油珠同在攪拌作用下懸浮于溶液中的大量磁粉顆粒相碰撞的幾率很大，同時(shí)又由于溶液中的油滴吸附了表面活性劑而帶負(fù)電，磁粉顆粒帶正電，兩者之間存在的靜電引力促使兩者不斷接近，進(jìn)而導(dǎo)致油珠上表面活性劑的帶負(fù)電荷的極性頭在帶正電荷的磁粉固體顆粒上發(fā)生吸附作用，但是油珠上表面活性劑的親油能力同油珠與磁粉顆粒間正負(fù)電荷的引力并不足以使原本兩個(gè)不相干的顆粒(帶表面活性劑的油珠和磁粉顆粒)長(zhǎng)時(shí)間地束縛在一起作同步運(yùn)動(dòng)，而且當(dāng)部分陰離子吸附在磁粉顆粒上時(shí)又將抵消部分正電荷，削弱磁粉顆粒同油珠間的引力，這將促使在水流、攪拌等作用下的磁粉顆粒帶著吸附于其表面上的表面活性劑離子同油珠分離，于是破壞了油珠上的表面活性劑層而導(dǎo)致油水分離。
2.2 磁絮凝作用
① 比表面積的比較
為考察磁粉對(duì)油的吸附是否由于其本身具有較大的比表面積，首先通過試驗(yàn)比較了磁粉與二氧化硅和硅膠對(duì)油的吸附能力(二氧化硅和硅膠均系化學(xué)純)。
各取400mL含油量為246mg/L的餐飲污水，分別加入250mg/L磁粉、二氧化硅和硅膠，以170r/min的攪拌速度攪拌15min，對(duì)于磁粉進(jìn)行磁分離15min后測(cè)出水含油量，對(duì)二氧化硅和硅膠則是在沉降1h后測(cè)上清液含油量，結(jié)果見表2。
表2 磁粉、 二氧化硅和硅膠的吸附除油效果
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由表2看出，采用等量磁粉、二氧化硅和硅膠處理餐飲含油污水，其除油率以磁粉為最大。 為考察三者除油率的差異是否由于比表面積的不同而造成，對(duì)三者比表面積作了測(cè)定。
二氧化硅和硅膠的比表面積采用染料吸附法進(jìn)行測(cè)定，其值分別是101.4、284.5m2/g。
磁粉比表面積的測(cè)定參照浙江溫州化工總廠的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(Q/WH12—92)，由華南理工大學(xué)測(cè)試中心出具測(cè)試報(bào)告，其值為5.74 m2/g，分別是二氧化硅和硅膠比表面積的1/20和1/50。 對(duì)照表2的吸附除油結(jié)果可見，磁粉對(duì)油的良好吸附并非是由于它比一些天然氧化物(如二氧化硅)有更大的比表面積，而是由于其表面特性使其對(duì)油有更大的吸附負(fù)荷所致！
② 磁絮凝
磁絮凝作用是指在外磁場(chǎng)中即使不添加任何化學(xué)藥劑，磁粉與懸浮液粒子之間也會(huì)經(jīng)受磁絮凝力，細(xì)粒磁粉可產(chǎn)生絮凝。
計(jì)算結(jié)果表明，磁粉顆粒半徑＜4μm后，表面附近(0.2μm范圍內(nèi))的磁場(chǎng)梯度急劇上升，對(duì)周圍(0.2μm范圍內(nèi))其他顆粒的磁力作用大為增加。由于磁場(chǎng)梯度與磁粉顆粒粒徑有很 大的關(guān)系，故進(jìn)行了磁粉粒度分布試驗(yàn)。
將少量磁粉加入含六偏磷酸鈉的分散液中，用乳化機(jī)高速攪拌使磁粉顆粒均勻分散。取該分散液采用重力沉降及離心聯(lián)合法在粒度分析儀中測(cè)得磁粉的平均直徑為8μm，而直徑為2～8μm的約占全部磁粉的69%，這部分磁粉在外磁場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生磁絮凝，而在磁絮凝的過程 中必然會(huì)把溶液中的油滴夾帶進(jìn)絮凝體中，使得油滴以磁絮凝的形式團(tuán)聚進(jìn)而被分離除去。
對(duì)磁粉的透射電鏡分析表明，實(shí)際上磁粉并非理論計(jì)算中所采用的球形顆粒，而是多棱角的楔形，因此可認(rèn)為磁粉產(chǎn)生高梯度效應(yīng)的粒度比計(jì)算的8μm要大。
2.3 混凝劑與磁粉的共同作用機(jī)理
當(dāng)在含油污水中同時(shí)加入磁粉和混凝劑時(shí)，磁粉和混凝劑就會(huì)同時(shí)與污水中的污染物發(fā)生作用：
一方面是磁粉對(duì)污染物的直接吸附、磁絮凝以及對(duì)乳化油的破乳；另一方面是絮凝劑在溶液中水解產(chǎn)生出大量的異號(hào)離子，通過壓縮雙電層作用對(duì)乳化油及其他(如淀粉類) 物質(zhì)所形成的準(zhǔn)膠體溶液的破乳和產(chǎn)生絮體后的吸附、夾帶作用。同時(shí)在絮體形成的過程中也會(huì)以大量分散在污水中的磁粉顆粒為凝聚核心，使油滴及其他污染物被包裹在絮體中。這種在絮體中包含油滴和磁粉的現(xiàn)象也已在顯微鏡中被觀察到，這種磁性絮體可被磁分離器很好地分離并成為磁性污泥，而包括油類在內(nèi)的污染物大部分就富集在這些磁性污泥中。
3 結(jié)論
① 采用磁分離法連續(xù)處理含油量為194mg/L的餐飲污水，只采用混凝劑時(shí)出水含油量為20mg/L，而加入磁粉后可使出水含油量降至7mg/L，說明磁粉對(duì)油的去除很有幫助。
② 電泳試驗(yàn)證明，污水中的磁粉顆粒帶正電，乳化油帶負(fù)電。磁粉對(duì)含有乳化油的污水具有良好的破乳作用。
③ 與二氧化硅和硅膠相比，磁粉雖然比表面積較小，但對(duì)油的吸附負(fù)荷卻較大。磁粉與油的結(jié)合除了直接吸附外，較細(xì)粒度的磁粉(8μm以內(nèi))還可以通過磁絮凝的方式與油珠結(jié)合。
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