固液分离材料

目前，用于废水固液分离的材料包括过滤材料、吸附分离材料和膜分离材料等。

1．3．1．1 过滤材料

过滤是分离、收集分散于气体或液体中颗粒状物质的过程，目前过滤无论在水的处理还是废气的治理上应用都非常普遍。过滤材料是水处理滤池或除尘设备中最重要的组成部分，是完成过滤的主要介质。根据形状分类，过滤材料可分为颗粒状、纤维状等；根据组成分类，可分为天然矿物滤料、合金滤料、合成高分子材料滤料和复合滤料等。

1）颗粒滤料

颗粒滤料主要用于水中悬浮物的过滤去除，也可用于废气治理。当水和废气通过粒状滤料床层时，其中的悬浮颗粒和胶体就被截留在滤料的表面和内部空隙中，这种通过粒状介质层分离不溶性污染物的方法称为粒状介质过滤。它既可用于活性炭吸附和离子交换等深度处理过程之前作为预处理过程，也可用于化学混凝和生化处理之后作为后处理过程。

颗粒滤料的过滤机理，可概括为以下几个方面：

（1-）阻力截留。

当原水自上而下流过粒状滤料层时，粒径较大的悬浮颗粒首先被截留在表层滤料的空隙中，从而使此层滤料间的空隙越来越小，截污能力随之变得越来越高，结果逐渐形成一层主要由被截留的固体颗粒构成的滤膜，并由它起主要的过滤作用，这种作用属于阻力截留或筛滤作用。筛滤作用的强度，主要取决于表层滤料的最小粒径和水中悬浮物的粒径，并与过滤速度有关。悬浮物粒径越大，表层滤料和滤速越小，就越容易形成表层筛滤膜，滤膜的截污能力也越高。

（2）重力沉降。

原水通过滤料层时，众多的滤料表面提供了巨大的沉降面积。据估计， 1m3粒径为0．5mm的滤料中就拥有400m2不受水力冲刷而可供悬浮物沉降的有效面积，形成无数的小“沉淀池”，悬浮物极易在此沉降下来。重力沉降强度主要与滤料直径和过滤速度有关。滤料越小，沉降面积越大；滤速越小，则水流越平稳，这些都有利于悬浮物的沉降。

（3）接触絮凝。

由于滤料具有很大的表面积，它与悬浮物之间有明显的物理吸附作用。此外，砂粒在水中常带有表面负电荷，能吸附带正电荷的铁、铝等胶体，从而在滤料表面形成带正电荷的薄膜，并进而吸附带负电荷的黏土和多种有机物等胶体，在砂粒上发生接触絮凝。在大多数情况下，滤料表面对尚未凝聚的胶体还能起接触碰撞的媒介作用，促进其凝聚过程。

在实际过滤过程中，上述三种机理往往同时起作用，只是依条件不同而有主次之分。对粒径较大的悬浮颗粒，以阻力截留为主。由于这一过程主要发生在滤料表层，通常称为表面过滤；对于细微悬浮物，以发生在滤料深层的重力沉降和接触絮凝为主，称为深层过滤。

过滤工艺过程包括过滤和反洗两个基本阶段。过滤即截留污染物，反洗即把被截留的污染物从滤料层中洗去，使之恢复过滤能力。反洗通常用水，有时先用或同时用压缩空气进行辅助表面冲洗。在反冲洗时，滤层膨胀一定高度，滤料处于流化状态。截留和附着于滤料上的悬浮物受到高速反洗水的冲刷而脱落；滤料颗粒在水流中旋转、碰撞和摩擦，也使悬浮物脱落。

颗粒滤料按其材料种类主要分为以下几种：

（1-）改性石英砂滤料。

石英砂是一种广泛用于各种给水处理、污水处理和环境治理的净水材料。由于石英砂滤料表面孔隙少，比表面积和等电点较低，在正常条件下带负电，使得它对水中有毒物质、细菌、病毒和有机物的去除效果很不理想。通过在石英砂表面附着不同功能的物质，改善石英砂滤料表面的性质，制成具有优良吸附性能和一定机械强度的改性滤料，将使石英砂滤料在水处理中具有更广阔的应用前景。

在普通石英砂滤料表面通过化学反应涂上一层改性剂（通常为金属氧化物和氢氧化物），从而改变滤料颗粒表面物理化学性质，以提高滤料对某些特殊物质的吸附能力及增强滤料的截污能力，达到改善出水水质的目的。常用的改性石英砂滤料有铁盐改性石英砂、涂铁铝石英砂等。

（2）多孔陶瓷滤料。

多孔陶瓷是一种新型的功能材料，结合了多孔材料的高比表面积和陶瓷材料的物理、化学稳定性，具有一定尺寸和数量的孔隙结构。通常孔隙度较大，而孔隙结构作为有用结构存在。

由于多孔陶瓷特殊的结构，当滤液通过时，其中的悬浮物、胶体物和微生物等污染物质被阻截在过滤介质表面或内部，同时附着在污染物上的病毒等也一起被截留。该过程是吸附、表面过滤和深层过滤相结合的过程，且以深层过滤为主。由于它具有充分发育的孔结构，使其比表面积较大，能够吸附水中微小的悬浮物，主要以物理吸附为主。表面过滤主要发生在过滤介质的表面，多孔陶瓷起一层筛滤的作用，大于微孔孔径的颗粒被截留，被截留的颗粒在过滤介质表面产生架桥现象，形成了一层滤膜，也能起到重要的过滤作用。

常用的多孔陶瓷滤料有微孔碳化硅陶瓷滤料、硅藻土基陶瓷滤料、粉煤灰基陶瓷滤料等。

（3）Cu Zn合金滤料。

Cu Zn合金滤料是由高纯度的铜、锌两种金属按一定的比例组合而成的一种水处理材料，商品名KDF（kineticdegradationfluxion）。

KDF滤料目前有KDF55与KDF85两种型号。KDF55为含50％铜和50％锌的合金，颜色金黄，呈颗粒状，大小为0．145～2．00mm，表观密度为2．4～2．9g／cm3，主要用于去除水中余氯及可溶性重金属离子。KDF85由85％的铜和15％的锌组成，红褐色，颗粒直径0．149～2．00mm，表观密度2．2～2．7g／cm3，对去除水中铁和硫化氢等有特效。目前KDF合金滤料已经被用于生活用水深度净化、工业给水净化及废水处理等方面，其净水机理包括电化学氧化还原反应、催化作用和过滤等，其中，电化学氧化还原是其主要的净水机理。

2）纤维滤料

纤维滤料是指纤维状的过滤材料，与传统的刚性颗粒滤料相比，纤维滤料堆积孔隙较大、密度较小、滤速很大，而床层阻力很小，反冲洗性能较好。由于纤维的吸水率很高，纤维的毛细孔较大，具有较高的比表面积，作为滤料可吸附大量悬浮物而获得较高的脱除率和容量负荷。此外，由于纤维丝束不会发生流失，因此，纤维滤池在反冲洗强度的控制上较颗粒滤料滤池要求低，可使滤料反冲洗更彻底。

随着合成纤维的发展，可供选择的纤维种类和数量越来越多，纤维的物理化学性能也有了很大提高，主要有聚酯纤维、丙纶纤维、玻璃纤维、尼龙、碳纤维等。

（1-）纤维球滤料。

目前，使用的纤维球滤料多由纤维扎结而成，它与传统的刚性滤料相比具有弹性效果好，不上浮水面，孔隙大，工作周期长，水头损失小等优点。在过滤过程中，滤层空隙沿水方向逐渐变小，比较符合理想滤料，上大下小的孔隙分布结构，效率高，滤速快，截污量大，过滤效果好，可再生，用气水反冲洗，适应于各种水质的过滤。

一般的纤维球滤料主要用于去除非含油水中的固体物质、铁、部分细菌，若纤维球滤料用于过滤含油污水，则必须预先改性。改性纤维球滤料由改性纤维丝扎结而成，适用于油田含油污水的精细过滤，也适用于其他含油工业废水的精细过滤。因改性后的纤维丝具有亲水疏油性，反洗再生性能好，是目前较理想的适合于含油污水处理的精细过滤材料。

（2）纤维束滤料。

纤维束过滤技术成功地解决了纤维滤料在过滤和清洗过程中存在的各种问题，更好地发挥了纤维滤料的特长，实现了理想的深层过滤效应。纤维束过滤可有效地去除水中的悬浮物，并对水中的有机物、胶体等杂质有显著的去除作用，可广泛用于电力、化工、冶金、造纸、纺织、食品等各种工业用水和生活用水及其废水的过滤处理。

纤维束滤料单丝直径可达几十微米至十几微米，具有巨大的比表面积，直径50μm纤维丝，比表面积达60000m2／m3，是一种替代石英砂等粒状滤料的理想滤材，而且过滤阻力较小，打破了粒状滤料的过滤精度由于滤料粒径不能进一步缩小的限制。微小的滤料直径，极大地增大了滤料的比表面积和表面自由能，增加了水中杂质颗粒与滤料的接触机会和滤料的吸附能力，从而提高了过滤效率和截污容量。原水通过纤维过滤后，可有效地去除水中的悬浮物，并对水中的有机物、胶体等杂质有显著的去除作用。

1．3．1．2 吸附分离材料

广义而言，一切固体表面都有吸附作用，但只有多孔物质和磨得很细的物质由于具有巨大的表面积，才能成为吸附分离材料。用于工业使用的吸附分离材料必须满足：吸附能力强、吸附选择性好、吸附平衡浓度低、容易再生和再利用、机械强度好、化学性质稳定、来源广、价格低等。常用的吸附分离材料有活性炭、磺化煤、沸石、活性白土、硅藻土、腐殖质、木炭、木屑、活性氧化铝、活性氧化镁、吸附树脂、微生物吸附剂等。

1）碳质吸附材料

碳质吸附材料包括颗粒活性炭、活性炭纤维和石墨吸附材料等，主要为非极性类吸附剂。它们主要用于吸附水中污染物，也可用于吸附空气中有机蒸气、氮氧化物和二氧化硫等。其中活性炭是最典型的碳质吸附材料，而应用最早、用途最广的是颗粒活性炭，活性炭纤维是20世纪60年代出现的、70年代以来得到迅速发展的活性吸附材料，而石墨吸附材料作为一种新型环境工程材料正在开发利用中。

（1-）颗粒活性炭。

颗粒活性炭外观为暗黑色，具有良好的吸附性能，其化学性质稳定，耐强酸强碱，耐高温，密度比水小，是一种多孔的疏水性吸附剂。

活性炭用于吸附水中微量有机物具有良好的性能，在处理给水中的酚类、着色物质、游离氯以及洗涤剂中的表面活性剂等都有奇特的效果。活性炭对污水源的净化主要是吸附去除水中有机物、颜色、臭味、油、苯酚等。由于活性炭对水中的有机物具有突出的去除能力，对一些难以被生物降解的有机物更有独特的去除效果而被用于制革废水处理、造纸染料化工废水处理、焦化废水处理、无机工业废水处理等。

（2）纤维活性炭。

纤维活性炭作为一种理想的高效吸附材料，由于其具有极大的比表面积、发达的孔结构、吸附脱附速度快、吸附量大等优点而被广泛应用于废水处理，对于含有机污染物的工业废水，可采用纤维活性炭进行吸附处理，如应用于石油化工、炼焦、塑料等行业的苯酚工业废水治理。

（3）膨胀石墨。

膨胀石墨组织上仍由石墨微晶组成，其表面和内部有发达的网络状孔隙结构，因此具有鳞片石墨非极性的特性，在其表面的基团也是非极性的。因此，适合吸附非极性有机大分子，特别是油类物质，是极有发展潜力的一种吸附材料。

2）无机吸附材料

无机吸附剂大多数是天然的无机矿物，这类矿物往往同时具有离子交换性能和吸附性能。常见的无机吸附材料主要有沸石、膨润土、硅藻土、海泡石等。

（1-）沸石。

沸石是一族含水的碱或碱土金属网状结构的铝硅酸盐晶体，分为天然沸石和合成沸石，通式为Mn／2·Al2O3·狓Si O2·狔H2O，式中M为碱或碱土金属称为沸石中阳离子，n为其电价，狓为硅铝比。沸石是一种硅酸盐矿物，是一种多微孔、孔结构十分精确的多孔固体，广泛应用于除氟除铁、去除水中氨氮、水中除油等。

（2）膨润土。

膨润土主要成分为蒙脱石，蒙脱石的典型化学式为Na0．7（Al3．3Mg0．7）Si8O20（OH）4·nH2O，是一种层状硅酸盐。经过改性的膨润土具有更好的吸附性能，主要应用于含芳香类化合物有机废水的处理、印染废水的处理以及农药的吸附等。

（3）硅藻土。

硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩，主要化学成分是Si O2，还有少量的Al2O3、Fe2O3、Ca O、Mg O及一定的有机质等。硅藻土可作为水处理剂的载体，能提高絮凝剂的絮凝效果，可提高水的处理量及水的净化质量，降低污水的处理成本。

（4）海泡石。

海泡石的主要化学成分是硅和镁，基本化学式为Mg8Si2O30（OH）4（H2O）H2O。海泡石具有巨大的比表面积，较强的离子交换能力，在污水处理、过滤脱色等方面应用越来越广泛。

3）高分子吸附材料

高分子吸附材料种类很多，应用很广，这类材料不但能像无机吸附材料那样通过阳离子交换和孔径选择性吸附分离物质，而且吸附作用包括整合、阴离子与阳离子间的电荷相互作用、化学键合、范德瓦耳斯引力、偶极偶极相互作用、氢键等无机吸附材料不可比拟的优点。

（1-）离子交换树脂。

离子交换树脂是带有可离子化基团的交联聚合物，一般呈珠状或无定形球状。它的两个基本特性是：其骨架或载体是交联聚合物，因而在任何溶剂中都不能使其溶解，也不能使其熔融；聚合物上所带有的功能基可以离子化。离子交换树脂的用途很广，水处理一直是离子交换树脂的最大应用领域，其中包括天然水的软化、脱盐和废水处理。

（2）吸附树脂。

吸附树脂具有立体网状结构，呈多孔海绵状，是一种新型有机吸附材料。吸附树脂最适宜于吸附处理废水中微溶于水，极易溶于甲醇、丙酮等有机溶剂，分子量略大和带极性的有机物，如脱酚、除油、脱色等。

1．3．1．3 膜分离材料

膜分离技术是21世纪水处理领域的关键技术，可以去除水中更细小的杂质、溶解态的有机物和无机物，甚至是盐。

膜分离是指在某种外力的推动下，利用过滤性膜的选择透过能力分离、浓缩、提纯、净化水中离子、分子和某些微粒的方法。与其他分离方法相比，膜分离过程中不发生相变化，能量转化率高，在现在的各种海水淡化方法中，反渗透法能耗最低，此外，膜分离一般不需要投加其他物质，可以节省原材料和化学药剂。

目前，反渗透分离技术已成为海水和苦咸水淡化最经济的技术，另外，在各种料液的分离、纯化、浓缩，锅炉水的软化、废液的再生回用等方面发挥着重要作用，国际上通用的反渗透膜材料主要有醋酸纤维素和芳香聚酰胺两大类。