水处理滤料润湿性能测定方法的比较研究

Posted 2023-01-12 比较研究

篇首语：不积跬步，无以至千里;不积小流，无以成江海。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了水处理滤料润湿性能测定方法的比较研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

根据Washburn方程，采用高度法和压力法测量滤料接触角，引入亲油亲水比(RLH)的概念，以正辛醇和去离子水作参比液，得出了25℃下核桃壳和石英砂滤料的亲水亲油比值。结果表明，压力法更适合滤料接触角测量，核桃壳颗粒对于非极性液体的润湿性较好，石英砂对于极性液体的润湿性较好，本研究为含油废水处理滤料的润湿性能改进提供一种新思路。
含油废水是一种常见的量大面广的工业废水，石油的开采及加工运输、机电及机械加工、石油化工等行业每天排出大量的含油废水，严重危害着水环境的安全。接触过滤是一类重要的处理含油废水的方法，选择合适的滤料对处理效果起着关键的影响。润湿性是水处理滤料最重要的表面性质之一，对油水体系而言，若油对滤料的润湿性好，则除油效果好。了解滤料对油和水的不同润湿性的大小，可以为含油废水过滤处理工艺条件的选择和滤料筛选以及开发适用于含油废水处理的滤料新品种提供新的研究思路和手段。本研究基于Washburn方程，采用高度法和压力法测量滤料接触角，比较两种方法的优越性，并用极性液体去离子水和非极性液体正辛醇分别测量对两种不同滤料石英砂和核桃壳的润湿性，比较两种滤料的亲水亲油比。
1试验原理
通过液体在固体表面上的接触角即可判断一种液体对一种固体的润湿性能。但对滤料接触角的测量研究较少，目前多见液体接触角的测量，由于水处理滤料颗粒的形状、粗糙度以及表面化学性质的差异，因此很难用直接法测定其接触角。假定将滤料颗粒填充床视为由一簇毛细管组成的多孔介质，则可Washburn动态法来测量滤料的润湿接触角。1921年，Washburn[1-2]导出了液体在毛细管中流动的动力学方程。当毛细管垂直时，

以h2对t作图，显然h2～t之间有直线关系，由直线斜率K、η和σ便可求得Crcosθ值。此法称为高度法。高度法是利用液体在滤料孔隙中上升的高度和时间的关系测定的。其中σ和η仅与浸湿液体的性质有关，这可以从物理化学手册中查出，K值可以由作图得到，但是C值不容易得到，在试验过程中，一般采用一种对样品几乎完全润湿，即接触角为0°的液体进行试验，得到相应的C值，这种液体即绝对润湿液体。以这种液体为参照，可以测定在同等试验条件下其它液体对该滤料的接触角。但在实际试验过程中，绝对润湿液体很难找到，所以C值就很难确定。因此，引入艾德生等提出的相对润湿接触角。令滤料样品在被测液体和一种润湿性更好的液体中的接触角分别为θ和θ0，并令θ0=0°，所以可得到相对接触角如下：

高度法试验过程中存在一个问题，由于滤料中各位置的堆积密度不尽相同，使得液体不会总是同水平上升。为克服这一问题，本研究利用液体在滤床中上升时管内压力的变化来测定滤料接触角。其原理是：当滤料均匀填入管中，管一端封闭另一端垂直插入液体，液体渗透过程中压缩滤床中的气体而引起的压力差的平方(ΔP)2是时间t的函数，其方程为：

式中η/σ仅与润湿液体的性质有关，可以查得；K值也可以得到；关键是确定β值。
很多情况下，我们需要对比不同滤料对相同液体的表面张力，此时滤料不同，β值也不同，因而就无法用上述方法来求出不同滤料对同一种液体的相对润湿接触角。为解决这一问题，本试验采用“亲油亲水比"即参数RLH。设滤料对非极性液体(如正辛醇)和极性液体(如去离子水)的接触角分别为θ和θ0，则有公式
(6)：

式
(6)中的K0、K、η0、η、σ0、σ分别可求，所以滤料的RLH就可求。应用该方法分别求出每种滤料对不同液体的RLH值，可以比较各种滤料的亲油性和亲水性的大小。假如一种滤料的亲油性愈强，当然它的亲水性就愈弱。因此，通过RLH可将滤料对不同液体的润湿性能比较出来。
2材料与方法
2.1试验装置
试验装置如图1、图2所示。图1为高度法测量接触角试验装置，盛装液体的容器为量筒，盛装滤料的容器为玻璃管。图2为压力法测量接触角装置，盛装液体和滤料的容器同图1，玻璃管上端连接YYT-200B倾斜式压力计。

2.2仪器与材料
(1)仪器：长20cm、内径为1cm的玻璃管，秒表，量筒(50mL)，天平，电炉，恒温槽，YYT-200B倾斜式压力计，铁架台；

(2)材料：核桃壳，石英砂，去离子水，正辛醇(分析纯)，玻璃棉。
2.3测定步骤
2.3.1高度法
(1)从标有刻度的洗净玻璃管的一端装上滤料，管的另一端用玻璃棉(用待测液浸泡并煮过的)封住，敦实30min，记下填充高度。
(2)将所选液体放在量筒中，量筒置于恒温水浴中，调节水浴温度为25℃。将玻璃管按图示安装，玻璃管必须垂直于液面。
(3)当液面达到玻璃棉处开始计时，记下时间t内液体上升的高度h(以玻璃棉与滤料的交界面为基准)。
2.3.2压力法
(1)在量筒中倒入适量待测液体，置于25℃的恒温槽中。
(2)将称取的滤料装入玻璃管中，下端用玻璃棉(用待测液浸泡并煮过的)封好，将其垂直地在垫有滤纸的桌面上轻敲，直到滤料的高度不变为止。
(3)在玻璃管上端接上橡胶管并且与压力计相连，将压力计校正调零。
(4)将压力计调到测压状态，然后将管垂直插入去离子水中，使玻璃棉刚好浸入水中，同时按下秒表，当压力计倾斜测量管中液面每上升一定刻度n记录一次时间t。
3试验结果
3.1高度测定法
按高度法试验步骤分别用正辛醇和蒸馏水对核桃壳、石英砂进行测定，不同液体测量每种滤料时均做了4次平行试验，得出数据生成直线见图3。

3.2压力测定法
按压力法试验步骤分别用正辛醇和蒸馏水对核桃壳、石英砂进行测定，不同液体测量每种滤料时均做了4次平行试验，得出数据生成直线见图4。
3.3接触角的计算
通过运用Washburn方程与亲油亲水比(RLH)的概念，由式
(6)得：
(1)高度法中接触角计算见表1。

(2)压力法中接触角计算见表2。

4结论
(1)由试验数据作图可以看出，高度法颗粒滤料的线性拟合性较差，线性相关性很难达到0.99，压力法中，线性回归系数均为0.99以上，线性拟合性较好，说明对于滤料接触角的测量，压力法更合适。
(2)引入亲油亲水比的概念，使结果计算简单，直观。
(3)结果表示，核桃壳的RLH>石英砂的RLH，由RLH=cosθ2/cosθ1=K2σ1η2/(K1σ2η1)，若滤料亲油性越强，则其亲水性越弱，必定cosθ2越大，而cosθ1越小，其RLH值就越大，所以核桃壳颗粒对于非极性液体的润湿性较好，石英砂对于极性液体的润湿性较好，两种方法的试验结果是一致的。
(4)由于滤料的粒径比较大，试验过程中密实度不均匀，使得试验结果的随机性比较大，且液面上升得很不均匀，给试验读数带来很大的麻烦，更增添了颗粒滤料试验结果的不精确性，所以试验应尽量选择粒径较均匀(0.6～0.9mm)的滤料，若能开发相关数据软件，使结果更具准确性。