散表征及其强化混凝低温低浊水研究.pdf
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1、第2 2 卷第2 1 期 2 0 0 6 年1 1 月 中国给水排水 C H I N AW A T E R W A S T E W A T E R V 0 1 2 2N o 2 1 N o v 2 0 0 6 帚零祭棼零秘零祭g 嗡N 。口 爨 技术总结 蒿 酿氧酞蕊虱蕊飞舞酞鑫篙挈 纳米S i 0 2 的分散表征及其强化混凝低温低浊水研究 施周,许光眉,李炳 ( 湖南大学土木工程学院,湖南长沙4 1 0 0 8 2 ) 摘要:采用原子力显微镜、激光粒度仪对超声分散纳米S i O :的粒径分布、微观形状等进行 了表征,并使用该纳米分散液对低温、低浊水进行了强化混凝研究。结果表明:纳米S i O
2、 :可均匀、 稳定地分散在水溶液中,平均粒径为3 0n m ,形状呈球形,在p H 值为3 1 2 时其表面带负电;将其 用于强化混凝处理低温、低浊水时可以显著降低出水浊度,提高所形成矾花的密实程度,同时改善 矾花的沉降生能。 关键词:纳米二氧化硅;分散; 强化混凝 中图分类号:T U 9 9 1 2 2文献标识码:C文章编号:1 0 0 0 4 6 0 2 ( 2 0 0 6 ) 2 1 0 0 4 3 0 4 D i s p e r s i o na n dC h a r a c t e r i s t i co fs i 0 2N a n o p a r t i c l e sa n d
3、S t u d yo n E n h a n c e dC o a g u l a t i o no fL o wT e m p e r a t u r ea n dT u r b i d i t yW a t e r S H IZ h o u ,X UG u a n g m e i ,L IB i n g ( C o l l e g eo fC i v i lE n g i n e e r i n g ,H u n a nU n i v e r s i t y ,C h a n g s h a4 1 0 0 8 2 ,C h i n a ) A b s t r a c t :T h es i
4、 z ed i s t r i b u t i o n ,m o r p h o l o g y ,a n ds u r f a c ec h a r g ep r o p e r t yo ft h eu l t r a s o n i cd i s - p e r s e dS i 0 2n a n o p a r t i c l e sw e r ec h a r a c t e r i z e db yt h ea t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( A F M ) a n dt h ep h o t o nc o r - r e l a t
5、 i o ns p e c t r o s c o p y ( P C S ) s i z em e a s u r e m e n t s T h ee n h a n c e dc o a g u l a t i o no fl o wt e m p e r a t u r ea n dl o w t u r b i d i t yw a t e rw a sc a r r i e do u tu s i n gt h en a n o - d i s p e r s e dl i q u i d R e s u l t si n d i c a t et h a tt h eS i 0
6、2n a n o p a r t i c l e sc a nb ed i s p e r s e de q u a l l ya n ds t e a d i l yi na na q u e o u ss o l u t i o n ,t h ea v e r a g ed i a m e t e ro ft h eS i 0 2n a n o p a r t i c l ei s3 0n m ,t h es u r f a c ec h a r g ep r o p e r t yi sn e g a t i v ea t t h ep Hv a l u er a n g e df r
7、o m3t o1 2 W h e n u s e df o re n h a n c e dc o a g u l a t i o no fl o wt e m p e r a t u r ea n dl o wt u r b i d i t yw a t e r ,t h eS i 0 2n a n o p a r t i c l e sc a ni m - p r o v et h er e m o v a lo ft h et u r b i d i t yo ft h et e s t e dw a t e r ,i n c r e a s et h ec o m p a c t n
8、e s sr a t ea n ds e d i m e n t a t i o nc a p a b i l i t yo ff l o c s K e yw o r d s :S i 0 2n a n o p a r t i c l e ;d i s p e r s i o n ; e n h a n c e dc o a g u l a t i o n 纳米颗粒通常是指粒径为1 1 0 0n m 的固体颗 粒,具有量子效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量 子隧道效应,并在催化、吸附等方面表现出许多特有 的性质3 | 。目前纳米材料在水处理中主要用于光 催化和吸附工艺m 引,在混凝工艺中的运
9、用虽有报 道,但在实际水处理中尚未应用。 目前粉末纳米材料已开始产业化生产,但是由 于纳米粒子尺寸小、比表面积大、其表面缺少邻近的 配位原子而具有很高的活性,这种活性导致纳米粒 子极易彼此团聚,从而使得纳米颗粒特有的性能难 基金项目:国家自然科学基金资助项目( 5 0 1 7 8 0 2 9 ) ;教育部博士点基金资助项目( 2 0 0 3 0 5 3 7 3 7 0 ) ;科技部国际合作 基金资助项目( 2 0 0 3 D F B 0 0 0 0 2 ) 4 3 万方数据 第2 1 期中国给水排水第2 2 卷 以充分发挥旧j 。如能将其在介质中均匀、稳定地分 散,并在水处理中运用将会具有重要
10、的现实意义。 由于这方面的研究目前国内外尚未有报道,故笔者 对粉末态纳米S i O :进行了超声分散,对分散液中纳 米S i O :的粒径分布、表面电荷以及颗粒形态进行表 征,并利用已分散的纳米S i O :对低温、低浊水进行 强化混凝研究,以期为低温、低浊水的处理提供新途 径。 1 试验材料与方法 1 1 试验仪器与试剂 仪器:Z e t a s i z e r3 0 0 0 H S 激光粒度仪( 英国M a r - l v e r n 公司) ;J S M 一5 6 0 0 L V 扫描电镜( 日本J E O L 电 子公司) ;S P l 3 8 0 0 一S P A 4 0 0 型原子
11、力显微镜( 日本 精工) ;T A 6 2 型程控混凝试验搅拌仪;K Q 3 2 0 0 D B 超声波发生器;J S 9 4 G 型微电泳仪。 试剂:粉末态纳米S i O ,( 平均粒径为3 0n m ) 、 A 1 2 ( S 0 4 ) 3 - 1 8 H 2 0 、高岭土、N a N 0 3 、N a H C 0 3 、H C l 、 N a O H ,均为分析纯。 1 2 纳米S i O ,的分散 取一定量的纳米S i O :粉末与双蒸水混合置于 烧杯中,在磁力搅拌下滴加H C l 或N a O H 达到预定 的p H 值,然后将其置于超声波水浴中,在一定功率 和频率下超声分散2h
12、,稀释至10 0 0m L 即为纳米 S i O ,分散液,即配即用。 1 。3 强化混凝试验 试验水样以双蒸水+ 高岭土配制而成,加入 N a N O ,和N a H C O ,以控制一定的背景离子强度,所 得悬浮液浊度为( 1 0 0 5 ) N T U ,通过恒温水浴控 制温度为( 7 0 0 5 ) ,p H 值通过0 0 1m o l L 的 H C l 或N a O H 调节。向快速搅拌( 2 5 0r m i n ) 的水 样( 10 0 0m L ) 中投加一定量的混凝剂和纳米S i O : 分散液,搅拌2m i n 后慢速搅拌( 5 0r m i n ) 8m i n ,静
13、止沉淀1 0m i n 后,于液面下2 5c m 处取样测定相 关水质指标。 2 试验结果与分析 2 1 纳米S i O :分散液的表征 未分散的纳米S i O :粉末扫描电镜照片如图1 所示。 从图1 可以看出,初始粒径为3 0n m 的纳米 S i O ,颗粒已团聚为直径约2 5 0n m 甚至更大的粒团, 表观直径几乎增加了1 0 倍。这是因为纳米微粒特 殊的表面结构( 缺少邻近配位原子) 引起的表面作 用使它们非常容易通过吸附而团聚在一起,形成带 有若干弱连接界面的尺寸较大的团聚体,这些表面 吸附作用主要是通过纳米粒子间的氢键、范德华力、 界面原子的局部耦合等形成的。纳米颗粒的团 聚使
14、其特有的物理化学性能难以充分发挥,故在使 用之前必须将其均匀稳定地分散在介质中。 图1未分散的纳米S i 0 2 扫描电镜照片 F i g 1 S E Mm i e r o g r a p ho fu n d i s p e r s e dS i 0 2n a n o p a r t i c l e 图2 为超声分散后纳米S i O :颗粒的原子力显 微镜照片。 图2 纳米$ i 0 2 原子力显微镜照片 F i g 2 A F Mi m a g eo fS i 0 2n a n o p a r t i e l e s 从图2 可以看出,通过超声波的空化作用,带有 若干弱连接界面的团聚体已均匀
15、分散为球形S i O : 颗粒,粒径在3 0n m 左右。这是由于在超声波作用 下,微泡在液体介质中形成并随即破裂,微泡的快速 形成和突然崩溃均伴有强烈的振动波,所形成短暂 的高能微环境能大幅度降低纳米粒子间的相互作用 能,从而促使其分散归J 。激光粒度仪测定的超声分 散后纳米S i O :的粒径分布如图3 所示。 从图3 可以看出,S i O :颗粒粒径 4 5 ,这一点与原子力显微镜测得的结果一致。 图3 纳米S i 0 2 粒径分布 F i g 3 S i z ed i s t r i b u t i o no fS i 0 2n a n o p a r f i c l e 此外,考察了
16、溶液p H 值对纳米S i O ,超声分散 粒径的影响。结果表明,纳米S i O :的Z e t a 电位在 p H = 2 时为正值,在p H = 3 1 2 时皆为负值,等电 点( P Z C ) 约为2 5 。随着分散液p H 值的升高,纳米 S i O :的平均粒径呈下降趋势:当p H 1 0 0n m ;当p H = 1 0 时,平均粒径达到最低值, 约等于3 0n m 。 2 2 纳米S i O :强化混凝处理低温低浊水 2 2 1 纳米S i O :强化混凝除浊效果 考察了纳米S i O 。投量分别为0 、1 0 、2 0 、3 0m g L 时,出水浊度随硫酸铝投量的变化,结果
17、见图4 。 o h 冬 越 羁 篙 丑 图4 纳米S i 0 2 强化混凝除浊效果 F i g 4 T u r b i d i t yr e m o v a lo fS i 0 2n a n o p a r t i c l e 从图4 可知,在未投加纳米S i O :条件下,出水 浊度 8N T U ;投加纳米S i O :后,在一定的硫酸铝投 量( 2 0m g L ) 下,出水浊度)在丁苯橡胶(SBR)基体中的分散和聚集研究;2.溴化酚醛树脂对 EPDM胶料硫化特性的影响 2006 本论文研究工作分为两部分: 第一部分:纳米二氧化硅(SiO2)在丁苯橡胶(SBR)基体中的分散与聚集研究。采
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- 关 键 词:
- 表征 及其 强化 低温 浊水 研究
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