铁质活性滤膜接触氧化除铁原理

李圭白*　　刘灿生**①

　　一、前言

　　在我国地下水除铁技术中，广泛采用曝气接触氧化的除铁方法。曝气接触氧气除铁法，是使曝气地下水中的亚铁离子不经氧化与溶解氧一同进入接触滤层，在滤层的接触催化作用下完成亚铁离子的氧化和截留。天然锰砂除铁是在我国已得到广泛应用的一种接触氧化除铁法；人造锈砂和自然形成的锈砂除铁法，是七十年代在我国实验成功的另一种接触氧化除铁法。
　　过去，笔者曾对天然锰砂除铁法进行过系统的实验和研究。近些年来，国内外又对以石英砂为载体的人造锈砂和自然形成的锈砂的除铁过程进行了研究。这些研究成果，发展了接触氧化除铁工艺，提高了接触氧化除铁工艺的效能，促进了接触氧化除铁工艺的推广和应用。
　　人们对于接触氧化除铁机理的认识有一个发展过程。本世纪三十年代开始将软锰矿砂用作地下水的接触氧化除铁滤料以来，人们一直把二氧化锰当作催化剂，这被称作经典理论。早在六十年代初，笔者在研究天然锰砂除铁过程中就发现了“活性滤膜”的接触催化作用，后又经多次模型及生产试验检验证实，终于于1974年正式提出了活性滤膜接触氧化除铁原理[2]，这使认识又深化了一步。

　　近几年，笔者对铁质活性滤膜接触氧化除铁的基本特征又进行了研究。实验表明，新滤料初期皆有一定的除铁能力，但并不持久经过一段时间除铁能力便开始衰竭。滤后水的含铁浓度相应升高；随着运行时间的增长，滤料的除铁能力又逐渐提高，滤后水水质变好，最终滤料具有了稳定的除铁能力。最终具有稳定的除铁能力。最终具有稳定除铁能力的滤料，称为“成熟”的滤料；由新滤料到“成熟”滤料的转化过程，称为滤料的“成熟”过程。事实上，滤料的成熟过程，正是滤料表面铁质活性滤膜的形成和积累的过程。本文将对新滤料的除铁作用、活性滤膜的形成及积累过程，以及成熟滤层中活性滤膜的除铁特征等方面的问题进行探讨。

　　二、新滤料的除铁作用

　　用未经曝气的无氧含铁地下水经新滤料层过滤，发现滤层最初都有一定的去除亚铁离子的能力。图1为新天然锰砂去除水中亚铁离子的情况。新石英砂或无烟煤去除亚铁离子的情况，与天然锰砂类似。新滤料能在无氧条件下除铁，表明新滤料对水中的亚铁离子有吸附作用。
　　新滤料对水中亚铁离子的吸附能力，与滤料的品种有关，表1为几种新滤料在无氧条件下对水中亚铁离子的动态吸附容量。由表1可见，马山锰砂的吸附容量最大，石英矿砂最小。
　　　　　　　　　　　　　

　　实验表明，吸附于新滤料表面的亚铁离子，在有溶解氧的情况下，能被氧化为高铁。但是，在新滤料表面生成的高铁氢氧化物，与在成熟滤料表面生成的具有强烈催化活性的铁质滤膜，在性质上有很大不同。首先，在新滤料表面生成的高铁氢氧化物具有非常密实的构造。新滤料层与成熟滤层的对比试验表明，在滤层都截留相同的铁量时（某次试验为2g），成熟滤层的水力阻抗竟比新滤层高40倍。所以，在新滤料表面生成的高铁氢氧化物比成熟滤料表面的活性滤膜要密实得多

　　其次，在新滤料表面生成的高铁氢氧化物并不具有强烈的接触催化活性。图2为三种新滤料成熟过程的对比试验。由图可见，由于新滤料具有一定的吸附能力，所以过滤初期都有一定的除铁效果，但当它们的吸附容量逐步耗尽，滤后水的含铁浓度便不断升高。随着过滤除铁过程的进行，在滤料表面开始生成具有接触催化活性的铁质滤膜，由于活性滤膜物质在滤料表面的积累，滤料渐趋成熟。滤层出水含铁浓度又开始降低，从而具有峰状特征。试验发现，虽然这三种新滤料的吸附容量有很大差别，但它们的成熟期却基本相同。如果新滤料表面生成的高铁氢氧化物具有接触催化活性。那么吸附容量大的新滤料截留下来的铁质较多，应该能较快地成熟，即具有较短的成熟期，但实际情况并非如此。所以，新滤料表面生成的高铁氢氧化物不具有强烈的接触催化活性，它与成熟滤料表面具有强烈接触催化活性的铁质滤膜物质的性质是不同的。

　　三、滤料的成熟过程

　　含铁地下水曝气充氧后，通过新滤料层过滤，由于新滤料具有吸附能力，所以具有一定的除铁能力。与此同时，滤料表面开始成生具有催化活性的铁质滤膜。所以，新滤料在成熟过程中，同时具有吸附除铁和接触氧化除铁两种作用。新滤料过滤初期，接触氧化除铁作用很小，所以以吸附除铁为主。随着滤料吸附能力的消耗，除铁能力降低，滤层出水含铁浓度逐渐增大。另一方面，在滤料表面生成的活性滤膜的除铁能力则不断增大，当活性滤膜除铁能力的增大速率超过了吸附除铁能力的减小速率时，滤层出水含铁浓度便开始出现下降趋势。由于活性滤膜的接触氧化除铁过程是一个自动催化过程，所以滤膜除铁能力的增大具有加速的特征，使滤层出水含铁浓度的变化过程线在峰值后略具上凸的形状，直至出水浓度降至要求值。之后，滤层出水的含铁浓度便稳定在很低的数值，它表明滤料已趋于成熟。这样，可以把滤料的成熟过程分为三个阶段，第一阶段为新滤料的吸附除铁作用占优势，称为吸附段；第二阶段为铁质活性滤膜的催化除铁作用占优势，并具有加速进行的特征，称为加速催化段；第三阶段表现为铁质活性滤膜的稳定催化除铁作用，称为稳定催化段，如图3。稳定催化除铁过程连续进行相当时间，滤料最终完全成熟。完全成熟的滤料表面被铁质活性滤膜覆盖而发黄，故常称为锈砂。

　　滤料的吸附容量不同，它们的成熟过程也有差别；吸附容量小的滤料，吸附阶段比较短，且滤层出水浓度变化过程线的峰值也较大；吸附容量大的滤料，吸附阶段比较长，出水峰值也较小。当滤料的吸附容量较大，而地下水的含铁浓度又较小时，出水浓度峰值有可能降至水质标准要求值以下，这时滤池一投产便能供应合格的水质。
　　我们在图2所示条件下，还进行了北戴河石英矿砂、松花江河砂、黑龙江烟煤等滤料的成熟试验，试验结果与图2基本一致。上述六种滤料的吸附段和加速催化段的总长度，大致为4～5d，此时滤层出水含铁浓度都能降至0.3mg/l以下，但出水水质尚不够稳定，7d后则皆能稳定地除铁。
　　综上所述，滤料品种不同，只对除铁初期的出水水质有影响，基本上不影响滤料的成熟期和成熟滤料的除铁性能，即对成熟滤料而言，不同品种的滤料作为铁质活性滤膜的载体，其作用是没有区别的，这就为在接触氧化除铁工艺中采用石英砂、河砂、无烟煤等廉价滤料提供了理论依据，经济意义是很大的。但是，吸附容量大的滤料，如天然锰砂，在除铁初期出水水质较好，这在实用上是有重要意义的。石英砂、无烟煤等吸附容量小的滤料，投产初期出水水质差，需采取改善水质和加速滤料成熟的措施，是其缺点。
　　有人用滤料表面铁质的附着指数（附着于100mg滤料表面的铁质的mg数）作为滤料成熟的指标[1]。前已述及，由于不同滤料具有不同的吸附容量，而在滤料表面吸附氧化的铁质并不具有催化活性。吸附容量大的滤料，在除铁初期就使附着指数达到相当数值，但这时滤料并不具有相应的“成熟”程度。所以，用附着指数作为滤料成熟的指标，对吸附容量不同的滤料不是普遍适用的。
　　人们习惯于以除铁滤层出水含铁浓度降至饮用水水质标准(0.3mg/l)以下作为滤料成熟的标志。由于滤层都是在一定的条件下进行工作的，这就使“成熟”与具体的工况有关，而不具有统一的标准，难于相互比较，所以也是不完善的。
　　我们认为，以单位滤料表面积所具有的接触氧化反应速度常数或滤层的接触催化活性系数作为滤料成熟的指标比较合理。

　　四、铁质活性滤膜的化学组成及其催化的基本特征

　　在去除亚铁离子的过程中，滤料表面上逐渐形成了铁质活性滤膜。在一个过滤周期里，如果滤膜在滤料表面上的附着量大于反冲洗中的剥落里，滤料表面上的铁质便增多，这使滤料颗粒逐渐变大。对含铁浓度较高的地下水除铁水厂，能观察到明显的滤层增厚和造粒现象，有的水厂，滤料使用一年，部分滤料的粒径可由0.6～2.0mm增大到5～6mm，体积增加几倍乃至几十倍，成为锈球。这种锈球湿时为棕黄色，表面上附着一层疏松的铁质氢氧化物（滤膜）。洗去滤膜，锈球表面光滑且有一定强度。剖开锈球，内部棕黑相间，为年轮状，比较密实。锈球内多有一个由细滤料构成的小的核心，但也有没有核心全由铁质组成的。
　　将由佳木斯水厂取来的锈球焙烧后，测得其中含Fe2O388%，SiO28%，此外还含有Ca、Mg、Mn等多种元素。锈球外部疏松的铁质滤膜的化学成分，与锈球相同。根据锈球形成的过程，可以断定内部那样密实的物质是由滤料表面这种疏松的铁质滤膜长期积累逐渐形成的。
　　我们还对新鲜滤膜和锈球内部物质进行了差热和热失重分析，测出它们的化学组成如表2。新鲜滤膜的试样为生产滤池反冲洗水沉淀下来的铁泥（测定前已存放一天）。表中还列出了文献[4]中的数据。由表2可见，铁质滤膜与锈球内部物质虽然化学成份相同，但化学组成却有不少差异。通过比较可以看出，由滤料表面铁质滤膜积累成锈球内部物质的过程，是结晶水逐渐脱离的过程，外观上则由疏松到密实。
　　为了了解滤膜与锈球内部物质催化活性的差别。进行了下面的对比试验。一支滤管装入附有新鲜滤膜的锈球作滤料，另一支滤管装入洗去滤膜的锈球作滤料，使它们在相同的条件下进行除铁试验。

　　图4为试验结果。由图可见，有新鲜滤膜的锈球，降铁效果良好。而洗去滤膜的锈球则除铁效果很差，并且具有与新滤料相同的特征，它表明只有锈球表面疏松的滤膜物质才具有催化活性，而锈球内总密实的物质则没有催化活性。滤料表面这种具有催化活性的疏松的铁质滤膜，称为铁质活性滤膜。
　　地下水含铁浓度14mg/l；溶解氧浓度7～8mg/l；滤速10m/h。
　　实验表明，新鲜的铁质活性滤膜的催化活性最强，随着时间的延长，铁质滤膜逐渐老化，其催化活性也逐渐减退。实验是用成熟滤料进行的，实验结果如图5。由图可见，停运几天以后，成熟滤料的除铁效能已大大降低，表明铁质滤膜会随时间逐渐老化而丧失其催化活性。锈球内部的密实物质，正是由老化的铁质滤膜长期积累而成。所以，滤料表面铁质活性滤膜的催化作用只有在连续的除铁过程中才能实现。滤料表面的铁质活性滤膜在过滤除铁过程中得到新的补充，从而在原来的滤膜上不断覆盖上新的滤膜，这使滤膜始终保持新鲜而具有很高的催化活性。旧的滤膜则逐渐老化丧失催化活性，久之便成为滤料表面密实的附着物。滤料表面的铁质活性滤膜的不断更新，是锈砂接触氧化除铁过程正常进行的必要条件。

　　已经明了，铁质活性滤膜接触氧化除铁的过程，首先是滤膜离子交换吸附水中的亚铁离子，可表示如下：
　　Fe(OH)3·2H2O+Fe2+= Fe(OH)2(Ofe) ·2H2O++H+
当水中有溶解氧时，被吸附的亚铁离子在活性滤膜的催化下迅速地水解和氧化，从而使催化剂得到再生，反应生成物又作为催化剂参与反应，所以铁质活性滤膜接触氧化除铁是一个自动催化过程。
　　Fe(OH)2(Ofe) ·2H2O+1/4·O2+9/2 ·H2O= 2Fe(OH)3·2H2O+ H+
　　收集反冲洗水中的铁泥进行分析，发现其中基本上不含亚铁化合物。它表明被活性滤膜吸附的亚铁离子能被迅速地氧化为高铁。
　　按照铁质活性滤膜接触氧化除铁是一个自动催化过程的概念，在过滤除铁过程中被截留于滤层中的铁质由于具有催化作用，应能使滤层的接触氧化除铁能力得到提高。情况确实如此。图6为除铁过程中，水的含铁浓度沿滤层深度方向分布的变化情况。其中曲线1为滤层反冲洗后1小时的浓度分布情况，曲线2为反冲洗后36小时的情况。由图可见，曲线2较曲线1的位置上移，表明随着铁质在滤层中的积累，滤层的接触氧化除铁能力有明显的提高，它证实了铁质活性滤膜接触氧化除铁是自动催化过程的结论。

　　五、成熟滤层的接触氧化除铁速率

　　水中的亚铁离子在成熟滤层中被去除，经历以下诸步骤：亚铁离子由水中向滤料表面扩散；亚铁离子被滤料表面的活性滤膜吸附；被吸附的亚铁离子水解并被氧化，生成高铁氢氧化物——铁质活性滤膜。上述诸步骤中，反应速度最慢者将成为除铁速率的控制步骤。实验表明，亚铁离子向滤料表面扩散可能是除铁速率的控制因素。实验还表明，滤料上活性滤膜只以外表面吸附水中的亚铁离子。

　　根据菲克定律，亚铁离子向滤膜表面扩散时，扩散速率与水中和滤膜表面的亚铁离子浓度差(C-C’)成正比，与滤膜表面的边界层厚度σ成反比。如果将扩散速率作为除铁速率，并认为C’很小可忽略不计，则
　　-dc/dt=DS/D(C-C’)≈DS/σ·C　　　　　　　　(1)
　　式中　t——时间，t=ml/u；
　　　　　l——滤层的厚度；
　　　　　m——滤层孔隙度；
　　　　　u——滤速；
　　　　　D——扩散系数；
　　　　　S——单位体积滤层中滤膜的外表面积，S=6a(1-m)/d；
　　　　　d——滤料粒径；
　　　　　a——滤料的形状系数；
　　　　　σ——边界层厚度；
　　　　　C’——滤膜表面上的亚铁离子浓度。
　　将上列各参数代入式(1)得
　　-dc/dι=βC　　　　　　　　　　　　　　　(2)
　　β=6Dam(1-m)/ σdu　　　　　　　　　　　(3)
　　式中β称为滤层的接触催化活性系数。
　　当水在滤层中呈层流状态流动时，可以认为边界层厚度为一定值(σ=const)，由式(3)可知，这时滤层的催化活性系数与滤速的一次方成反比例关系。
　　当水在滤层中呈紊流状态流动时可近似地认为边界层厚度与滤速成反比例关系，
　　σ=a/u　　　　　　　　　　　　　　　　　(4)
　　式中　a为比例系数。将式(4)代入式(3)，得
　　β=6Dam(1-m)/ad　　　　　　　　　　　　　(5)
　　即紊流时，除铁效果与滤速无关，这可以看作与滤速的零次方成反比。
　　当水在滤层中低于层流和紊流之间的过渡区时，可以认为滤层的催化活性系数与滤速的p次方成反比，
　　β=6Dam(1-m)/bdup　　　　　　　　　　　　(6)
　　式中　b为比例系数；而0<p<1。
　　由雷诺数可判别水在滤层中的流态。雷诺数按下式计算
　　Re=pdu/6μa(1-m)　　　　　　　　　　　　　(7)
　　则Re <2时为层流。
　　上述滤层除铁速率与滤料粒径以及滤速的关系，笔者早在天然锰砂除铁的研究中已经通过实验得到[3]。现在，我们又从理论上作出了论证。
　　设亚铁离子在滤膜上的反应速率（吸附、氧化、水解）与表面上的亚铁离子浓度成正比，所以滤膜表面上的除铁速率为
　　-Dc/dt=KSC’　　　　　　　　　　　　　　　　(8)
　　式中　K——单位面积滤膜上的反应速度常数。
　　当除铁过程稳定时，表面反应速率与扩散速率相等，即
　　KSC’=DS/σ(C-C’)　　　　　　　　　　　　　　(9)
　　从而得　　C’=C/(1+Kσ/D)　　　　　　　　　　　　(10)
　　将式(10)代入式(8)，得
　　-Dc/dl=[K/(1+Kσ/D)]·[6am(1-m)/du·C]　　　(11)
　　比较式(11)和式(2)，可知
　　β=[K/(1+Kσ/D)]·[6am(1-m)/du]　　　　　　　(12)
　　由上式可知，β随K的增大而增大，所以两者都可用作判断滤料成熟程度的指标。

　　六、几点结论

　　1.通过对天然锰砂、石英砂、河砂、无烟煤等多种滤料的实验，发现新滤料对水中铁离子有吸附作用，吸附容量因滤料种类而异，但吸附于新滤料表面的铁质氧化后并不具有催化性能。新滤料的吸附容量大，过滤初期除铁水质较好。
　　2.实验表明，对亚铁离子氧化起催化作用的是除铁过程在滤料表面上自然形成的铁质活性滤膜，其形成速度一般与滤料种类无关。铁质活性滤膜的化学组成为Fe(OH)3·2H2O。实验证实，铁质活性滤膜接触氧化除铁过程是：水中亚铁离子先被滤膜吸附，然后被氧化和水解，生成新的活性滤膜，并作为新的催化剂参与反应，所以活性滤膜除铁是一个自动催化反应过程。实验表明，除铁过程中截留于滤层中的铁质，能使滤层的接触催化能力增大。
　　3.实验表明，新滤料的“成熟”过程，就是铁质活性滤膜在滤料表面逐步积累的过程。成熟滤料的除铁过程，实质上就是滤料表面铁质活性滤膜的除铁过程。对成熟滤料而言，不同品种的滤料作为铁质活性滤膜的载体，其作用基本上是没有区别的。滤料的成熟过程可分为吸附段、加速催化段和稳定催化段等三个区段。建议以单位滤料表面积上的反应速度常数K或滤层的接触催化活性系数β作为判别滤料成熟的指标。
　　4.实验研究表明，新鲜的铁质活性滤膜的催化活性最强，但随时间滤膜逐渐脱水老化，其催化活性也逐渐减弱，所以，滤料表面活性滤膜的催化作用只有在连续的过滤除铁过程中才能实现。
　　5.实验证实，滤层的接触氧化除铁速率由亚铁离子向滤膜表面的扩散速度控制。从扩散定律出发，理论推导出滤层除铁速率公式。

　　参考文献
　　[1]高井雄，水道协会杂志，第465、466、467号[1973]
　　[2]李圭白，“天然锰砂除铁的机理”，哈尔滨建筑工程学院学报，1974年第1期。
　　[3]李圭白，“天然锰砂除铁滤层过滤除铁的规律”，建筑技术通讯，1973年第3期。
　　[4] CraИkЯBИЧloc B. H，oбЗЖeЛeЗИbИHИe Bobl φИЛбTPbИПM，ИЗВΟMebeMbo《MoЯЛЛe》1978
　　[5]高井雄，用水废水，VOL。25，№2，№3，№4，№5，№6，№7，№12(1983)。
　　（注：①(*　**哈尔滨建筑工程学院)）