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混凝法,纳滤膜,硫酸根,总硬度
矿井水是煤炭开采过程中涌出的地下水，经井下各巷道集中至井下水仓后排至井上地面。山西煤矿矿井水水质特性为：矿化度较高，硬度大，部分矿井水呈酸性。经研究[1]，煤矿酸性矿井水的酸度来自于煤层及其围岩中含硫化物的氧化，其中黄铁矿（FeS2）氧化产生的H2SO4酸度及氧化产物FeS04，Fe2(S04)3水解产生的酸度起主导作用。同时，水中硫酸根的存在是造成水中永久性硬度指标高和矿化度高的主要原因。大量S042-的排放将使接受水体产生矿化作用；水中溶解的硫酸盐对水泥中游离石灰产生硫酸盐化作用，侵蚀混凝土；水体中S042-在缺氧状态时，产生反硫化作用，产物H2 S对排水管道产生腐蚀作用[2]。此外，水中的S042-是硫酸盐还原菌得以快速生长的主要营养源，也容易导致其他金属离子特别是重金属离子溶于水中。因此，随着人们对水质要求的提高，去除水中的硫酸根越来越受到重视。笔者采用熟石灰一聚合氯化铝混凝、熟石灰一硅藻水、纳滤膜进行硫酸根的去除对比研究。对不同方法处理后的矿井水进行硫酸根含量的测定，硫酸根含量的测定采用硫酸钡重量法。
1实验部分
本实验按照矿井水巾污染物含量配制原水。具体配制如下[3]：
经实测，实验所用自来水中的总硬度为232 mg/L(以CaCO3，计)，其中Ca2+质量浓度为150 mg/L，Mg2+质量浓度为82 mg/L，自来水中的S042-质量浓度为41mg/L。因此，经计算在1L自来水中加入：360.75 mg/L的CaCl2，229.58mg/L的MgCl2以及531.03mg/L的Na2SO4，配制出来的原水浓度为：p(Ca2+)=280 mg/L，p(Mg2+)=140mg/L，p(S042-)=400 mg/L。
1.1 仪器及试剂
仪器：六联搅拌器、PH酸度计、高精度电子天平、容量瓶（100mL、1000mL）、烧杯(500mL、1000mL)、锥形瓶300mL、漏斗d=10cm、定量滤纸（d=12.5cm）、电炉、水浴锅、干燥器、研磨器、马弗炉（最高温度1200℃）。
药剂：氯化钡溶液：称取5 g分析纯二水合氯化钡，溶于100mL蒸馏水巾；硝酸银试剂，称取4.25g化学纯硝酸银及0.25mL浓硝酸，溶于250mL蒸馏水中；氢氧化钙，聚合氯化铝，硅藻精土，1 +1盐酸，0.1%(质量分数)甲基红指示剂，硝酸银试剂。
1.2石灰一聚合摄化铝混凝法去除硫酸根
1.2.1实验原理
向矿井水中投加熟石灰，其中Ca2+和SO42-发生反应生成CaSO4微溶物，然后投加聚合氯化铝高分子混凝剂，通过压缩双层、吸附电中和、吸附架桥、沉淀物网捕等机理作用，使水中细微悬浮粒子和胶体粒子脱稳、聚集、絮凝、混凝、沉淀、达到净化处理效果。
1.2.2试验方法
（1）取5个500mL的烧杯，依次编号为l号，2号，3号，4号，5号，6号。将配制好的原水分别倒人6个烧杯，每只烧杯200 mL。
（2）6个烧杯中水样调节pH值在7-9时。6个烧杯中每杯中加入的药剂分别为：500 mg，l000 mg，l500 mg，2000mg，2500 mg，3000 mg用六联搅拌器搅拌，先高速(250 r/min)搅拌l min，然后慢速(60 r/min)搅拌20min,静置24 h。
（3）待6个烧杯的矾花完全沉淀后，依次将烧杯中的溶液用漏斗、滤纸过滤到锥形瓶中，并编号。
（4）用硫酸钡重量法测量各锥形瓶巾硫酸根离子的浓度并记录各项数据。
矿井水盐度测定的实验结果见表1。
表1 [SO42-]=400mg/L的矿井水盐度测定
|
瓶号 |
药剂投加量/（mg/L） |
PAC投加量/(mg/L) |
反应后[SO42-] |
总硬度（CaCO3/(mg/L)） |
PH |
|
1# |
500 |
20 |
334.51 |
887 |
11.77 |
|
2# |
1000 |
30 |
312.8 |
843 |
12.13 |
|
3# |
1500 |
40 |
236.7 |
817 |
12.43 |
|
4# |
2000 |
50 |
143.78 |
778 |
12.5 |
|
5# |
2500 |
60 |
156.77 |
790 |
12.34 |
|
6# |
3000 |
70 |
233.55 |
812 |
12.67 |
由表1可以看出，[SO42-]=400mg/L的矿井水水样药品投加量熟石灰2000mg/L,PAC为50mg/L时对硫酸根和总硬度的去除效果最好。
1.3 熟石灰—硅藻净土去除矿井水中的硫酸根
1.3.1 实验原理
向矿井水中投加熟石灰，其中Ca2+和SO42-发生反应生成CaSO4微溶物，然后投加硅藻净土，污染物被快速物理絮凝、沉淀，因硅藻比表面积为60m2/g，具有较强的吸附力，把超细微粒物质吸附到硅藻表面，瞬间下沉与水体分离，达到净化处理效果。另外，纳米微孔具有自身脱水的功能，经脱水设备脱水，沉渣成饼状装袋，可再生利用。
1.3.2试验方法
（1）取5个500mL的烧杯，依次编号为l号，2号，3号，4号，5号，6号。将配制好的原水分别倒人6个烧杯，每只烧杯200 mL。
（2）6个烧杯中水样调节pH值在7-9时。5个烧杯中每杯中加入的药剂分别为：500 mg，l 000 mg，l 500 mg，2 000mg，2 500 mg,3000g用六联搅拌器搅拌，先高速(250 r/min)搅拌l min，然后慢速(60 r／min)搅20min，静置24 h。
（3）待6个烧杯的矾花完全沉淀后，依次将烧杯中的溶液用漏斗、滤纸过滤到锥形瓶中，并编号。
（4）用硫酸钡重量法测量各锥形瓶中硫酸根离子的浓度并记录各项数据。
矿井水盐度测定实验结果见表2。
表2 [SO42-]=400mg/L的矿井水盐度测定结果
|
瓶号 |
药剂投加量/（mg/L） |
硅藻净土投加量/(mg/L) |
反应后[SO42-] |
总硬度（CaCO3/(mg/L)） |
PH |
|
1# |
500 |
20 |
234.51 |
854 |
11.57 |
|
2# |
1000 |
30 |
212.8 |
832 |
11.83 |
|
3# |
1500 |
40 |
136.7 |
792 |
11.73 |
|
4# |
2000 |
50 |
156.78 |
787 |
11.5 |
|
5# |
2500 |
60 |
177.77 |
807 |
11.34 |
|
6# |
3000 |
70 |
256.55 |
826 |
12.67 |
由表2和图2可以看出，[SO42-]=400mg/L的矿井水水样药品投加量熟石灰为1500mg/L，硅藻精土为40mg/L时对硫酸根和总硬度的去除效果最好。
1.4纳滤膜法去除矿井水中的硫酸根
1.4.1实验原理
纳滤是一种利用膜分离技术的筛分过程，以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当矿井水流过膜表面时，超滤膜表面密布的许多细小的微孔只允许水及小分子物质通过而成为透过液，而矿井水中体积大于膜表面微孔径的物质则被截留在膜的进液侧，成为浓缩液，因而实现对原水的净化、分离和浓缩的目的。
1.4.2试验方法
取[SO42-]=400mg/L，总硬度=1200mg/L的矿井水水样,通过纳滤膜，实验结果见表3
表3 [SO42-]的矿井水通过纳滤膜的测定结果
|
进水 |
[SO42- ]=400mg/L |
总硬度=1200mg/L |
|
出水 |
38 |
220 |
|
PH |
11.53 |
8.3 |
2 结论
（1）采用石灰一聚合氯化铝混凝法去除SO42-，由于受石灰自身溶度积的限制，SO42-只能部分去除，达到平衡后反应不能再继续进行；
（2）采用石灰一硅藻精土去除矿井水中的硫酸根，在pH为11.5左右时，去除效果明显比石灰—聚合氯化铝效果好。
（3）采用纳滤膜法处理硫酸根，技术成熟，方法简单，SO42-去除率能达到90%以上，且不引入杂质离子，同时可以去除水质中的阳离子，是一种可行、经济的脱盐工艺。
（4）在达到最佳配比时，出水水质符合中华人民共和国卫生部《生活饮用水水质处理器卫生安全与功能评价规—般水质处理器》的出水水质要求，出水可以直接饮用
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