申請日2015.08.20
公開(公告)日2015.10.28
IPC分類號B01D39/06
摘要
本發明提供了一種水處理用輕質過濾介質及其制備方法和應用，屬于水處理領域。該水處理用輕質過濾介質為顆粒狀的泡沫玻璃，其制備方法包括：在微細玻璃粉末中加入發泡劑、發泡劑促進劑和改性劑后進行混勻，得到混合原料;將混合原料熔融發泡后依次進行冷卻和再次粉碎，得到可作為水處理用輕質過濾介質的泡沫玻璃。該泡沫玻璃具有高空隙、大比表面積、多孔、輕質等性質，在使用的過程中，不僅過濾速度快、出水水質優良，且反沖洗時的濾料層極易膨脹(最高膨脹率200%)，非常利于反沖洗快速有效進行，為直接進行微絮凝快速過濾提供了保障;而且該泡沫玻璃過濾介質表面凸凹不平、多棱角、高空隙率、高比表面積，具有非常優秀的懸浮物截留性能。
權利要求書
1.一種水處理用輕質過濾介質，其特征在于，所述水處理用輕 質過濾介質為顆粒狀的泡沫玻璃。
2.根據權利要求1所述的水處理用輕質過濾介質，其特征在于， 所述泡沫玻璃的比重為1.2～1.7kg/L。
3.根據權利要求1或2所述的水處理用輕質過濾介質，其特征 在于，所述泡沫玻璃濾料的自然堆積容重為0.5～0.9kg/L。
4.根據權利要求3所述的水處理用輕質過濾介質，其特征在于， 所述泡沫玻璃濾料的空隙率為60～78%。
5.一種根據權利要求1-4任一項所述的水處理用輕質過濾介質 的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
1)、在微細玻璃粉末中加入發泡劑、發泡劑促進劑和改性劑后 進行混勻，得到混合原料;
2)、將所述混合原料熔融發泡后依次進行冷卻、再次粉碎和篩 選，得到可作為水處理用輕質過濾介質的泡沫玻璃。
6.根據權利要求5所述的水處理用輕質過濾介質的制備方法， 其特征在于，在步驟1)之前，還包括：
將廢舊玻璃進行破碎，得到3-5mm的玻璃碎片，并將所述玻璃 碎片粉碎至粒徑為100-400μm的微細玻璃粉末。
7.根據權利要求6所述的水處理用輕質過濾介質的制備方法， 其特征在于，在步驟1)中：
以重量份數計，所述微細玻璃粉末為93-97份、所述發泡劑為 2-4份、所述發泡劑促進劑和改性劑為1-3份。
8.根據權利要求7所述的水處理用輕質過濾介質的制備方法， 其特征在于，
所述發泡劑包括碳黑、碳化硅、碳酸鈣、白云石粉、金云母、 石墨、二氧化錳中的一種或多種;
所述發泡劑促進劑包括硝酸鈉、純堿、硼砂、氟硅酸鈉、碳酸 鈉、乙二氨鹽中的一種或多種;
所述改性劑為三氧化二銻、焦磷酸鈉、硫酸鋇中的一種或多種。
9.根據權利要求8所述的水處理用輕質過濾介質的制備方法， 其特征在于，在步驟2)中，所述熔融發泡的過程具體包括：
將熔融發泡設備以10℃/分鐘的升溫速度升至600-1100℃，并 發泡2-4小時;
和/或;
所述再次粉碎的粒度為0.5-1.0毫米。
10.權利要求5-9任一項所述的水處理用輕質過濾介質的制備方 法制成的泡沫玻璃顆粒在作為水過濾介質中的應用。
說明書
一種水處理用輕質過濾介質及其制備方法和應用
技術領域
本發明涉及水處理領域，具體而言，涉及一種水處理用輕質過 濾介質及其制備方法和應用。
背景技術
過濾是在水處理領域中應用最為廣泛的一種工藝技術，目前， 幾乎所有的凈水工業都必須采用過濾技術。而且，隨著環保法的日 益強化，大部分城市污水處理廠都要達到《城鎮污水處理廠污染物 排放標準GB18918-2002》中的一級A標準。因此，過濾技術也成 為城市污水處理廠達到一級A標準的必不可少的處理手段之一。
相關技術中，考慮到處理的經濟性、成熟性和實用性等因素， 在現有的過濾技術中，仍以傳統的以普通砂、海砂和石英砂等為濾 料的砂濾技術為主流。
然而，現有的砂濾技術中，由于砂子濾料比重大(2.60以上)， 因此，難以實現較為充分的反沖洗，而且反沖洗的水量大;其次， 因石英砂濾料空隙率低(50%以下)、表面積小(0.04m2/g)，故其 截污能力較差，還存在濾料易板結(死區)、反沖洗頻繁(由于較難 實現充分的反沖洗，因此常增加反沖洗的次數)等現狀，嚴重影響 著水廠出水的水質和生產效率。所以，現有的砂濾技術由于過濾介 質選擇不當，因而存在著能耗高、過濾周期短、效率低等諸多問題。
此外，現行污水處理廠為達到去除生化出水中TP(總磷)的目 的，必須增設絮凝工藝。然而，絮凝后進行直接微絮凝過濾時，由 于過濾水體中懸浮物含量增加，更容易導致濾層堵塞和板結(死區)， 從而導致濾料板結問題更為突出。所以，只能采用“絮凝-沉降-過 濾”工藝，從而額外增加了一個沉降的過程，如此一來，不僅大大 增加了建設資金，最終使污水處理流程過長、設施占地面積大、生 產管理難度及運行費用增加等。
有鑒于此，特提出本發明。
發明內容
本發明的第一目的在于提供一種水處理用輕質過濾介質，所述 的過濾介質為顆粒狀的泡沫玻璃，其具有輕質的性質，在反沖洗過 程中，其易于實現濾料層膨脹(最高膨脹率200%)，非常利于反沖 洗快速有效進行，為直接進行微絮凝過濾提供了保障;而且該泡沫 玻璃過濾介質其表面凸凹不平，并具有多棱角、高空隙以及多孔性 和大比表面積，具有非常高的過濾截留懸浮物的性能。
本發明的第二目的在于提供一種所述的水處理用輕質過濾介質 的制備方法，該方法操作簡單，條件易于控制，非常便于泡沫玻璃 粉末的制備。
本發明的第三目的在于提供所述的水處理用輕質過濾介質的制 備方法制成的泡沫玻璃的用途，以實現其在水處理領域的應用價值。
為了實現本發明的上述目的，特采用以下技術方案：
本發明提供了一種水處理用輕質過濾介質，所述水處理用輕質 過濾介質為顆粒狀的泡沫玻璃。
本發明提供的這種水處理用輕質過濾介質為泡沫玻璃，泡沫玻 璃作為濾料時，其比重輕，反沖洗時，易于使濾料層膨脹(最高膨 脹率200%)，在水體紊流和剪切力的作用下，極易使附著在濾料表 面上的凝聚物剝離開，因此，不僅實現了快速反沖洗，且大大減少 反沖洗用水量，為進行直接微絮凝過濾提供了保障，從而簡化常規 的“絮凝-沉降-過濾”中的沉降工藝。
另外，由于泡沫玻璃濾料表面凸凹不平，并具有不規則、多棱 角、高空隙率、高比表面積和多孔性，使泡沫玻璃濾料過濾截留懸 浮物的能力大大增強，在同等條件下，采用泡沫玻璃濾料時，要比 采用普通砂濾料(表面平滑、無孔)時的截污能力強，有效保障出 水水質需求。
再者，由于泡沫玻璃濾料的空隙率高，從而使得濾層可容納懸 浮性污染物的能力也大大提高。因此，可大大提高過濾速度和效率， 進而可大大縮小過濾設施的體積，從而可減少處理設施的占地面積。 進一步的，由于泡沫玻璃作為濾層時，由于比重輕，以較小的動力 即可實現快速反沖洗，從而節省了反沖洗時間和動力消耗，而且過 濾處理能力大、水質好，具有高效、節能以及環保的效果。
綜上所述，該新型的輕質過濾介質，其可以克服現有技術中砂 率技術存在的能耗高、過濾周期短、效率低、污水處理流程過長、 設施龐大、占地面積增加、生產管理難度以及運行大等一系列的缺 陷。
可選的，所述泡沫玻璃濾料的比重為1.2～1.7kg/L。
過濾是水中懸浮顆粒與濾料顆粒間吸附作用的結果，吸附作用 主要決定于濾料和水中顆粒的表面物理化學性質，當水中顆粒遷移 到濾料表面上時，在范德華引力和靜電引力以及某些化學鍵和特殊 的化學吸附作用下，它們吸附到濾料顆粒的表面上。此外，某些絮 凝顆粒的架橋作用也同時存在。經研究表明，過濾主要還是懸浮顆 粒與濾料顆粒經過遷移和吸附兩個過程來完成去除水中雜質的過 程。
隨著過濾時間的增加，濾層截留雜質的增多，濾層的水頭損失 也隨之增大，其增長速度隨濾速大小、濾料顆粒的大小和形狀，過 濾進水中懸浮物含量及截留雜質在垂直方向的分布而定。在處理一 定性質的水時，正確確定濾速，濾料顆粒的大小，進水水質，濾料 及厚度之間的關系，具有重要的技術意義與經濟意義。因此，對于 過濾而言，濾料選擇以及物理形態，性質對過濾效果具有至關重要 的影響，現有技術中，石英砂濾料比重大(2.65kg/L左右)、膨脹 率低(50%以下)、孔隙率低(50%以下);因此，不僅難以實現較 為充分的反沖洗，而且動力消耗高和產生的反沖洗水量較大;特別 是存在濾料板結(死區)的缺陷。
在本申請中，對泡沫玻璃濾料的比重優選限定為1.2～1.7kg/L， 具有該比重的泡沫玻璃濾料，泡沫玻璃濾料的比表面積為25-35 m2/g，其可實現約為200%的膨脹率，在水體紊流和剪切力的作用下， 極易使附著在濾料表面上的凝聚物剝離開，以較少的能耗可實現快 速反沖洗、縮減反沖洗時間和用水量的效果。
可選的，所述泡沫玻璃濾料的自然堆積容重為0.5～1.0kg/L。
可選的，所述泡沫玻璃濾料的空隙率為60～78%。
可選的，所述泡沫玻璃濾料的比表面積為25-35m2/g。
基于上述同樣的理由，對泡沫玻璃濾料的自然堆積容重，或者 對其空隙率和比表面積進行了進一步的限定，一方面滿足膨脹率要 求，另一方面也提高了濾層的容納懸浮性污染物的能力，大大提高 其對過濾水體中懸浮物的截留能力以及單位時間內的過濾處理量。
一種所述的水處理用輕質過濾介質的制備方法，包括以下步驟：
1)、在微細玻璃粉末中加入發泡劑、發泡劑促進劑和改性劑后 進行混勻，得到混合原料;
2)、將所述混合原料熔融發泡后依次進行冷卻、再次粉碎和篩 選，得到可作為水處理用輕質過濾介質的泡沫玻璃。
該發方法中，以廢舊玻璃為初始原料，經破碎、粉碎(得到微 細玻璃粉末)和混合等操作，再經過熔融發泡、冷卻等而制成的無 機非金屬泡沫玻璃材料。最后經進一步的粉碎、篩選等工藝加工制 得新型輕質、無規則、多棱角、高比表面積、高孔隙率、多孔性新 型水處理人工泡沫玻璃濾料。整個制備方法易于實現，工藝條件易 于控制，而且原料也易于獲得。具有非常好的實用性。
可選的，在步驟1)之前，還包括：
將廢舊玻璃進行破碎，得到3-5mm的玻璃碎片，并將所述玻璃 碎片粉碎至粒徑為100-400μm的微細玻璃粉末。
對于廢舊的玻璃，采用先破碎后粉碎的方式，從而實現微細玻 璃粉末的獲取，便于與其他助劑混合均勻，而且也有效地利用了廢 舊玻璃。
可選的，在步驟1)中：
以重量份數計，所述微細玻璃粉末為93-97份、所述發泡劑為 2-4份、所述發泡劑促進劑和改性劑為1-3份。
在微細玻璃粉末中，加入特定重量份數的發泡劑、發泡劑促進 劑和改性劑;發泡劑促進劑具有助熔(使玻璃粉的軟化溫度降低，粘 度下降有利于發泡)效果，還可增加玻璃的表面張力，有利于穩定和 控制氣泡，改善泡孔結構，使泡孔均勻、細小，有利于提高制品強 度。適量的改性劑能夠改善泡沫玻璃的性能，增大發泡溫度范圍， 減少連通孔，提高機械強度，提高成品率。
可選的，所述發泡劑包括碳黑、碳化硅、碳酸鈣、白云石粉、 金云母、石墨、二氧化錳中的一種或多種;
所述發泡劑促進劑包括硝酸鈉、純堿、硼砂、氟硅酸鈉、碳酸 鈉、乙二氨鹽中的一種或多種;
所述改性劑為三氧化二銻、焦磷酸鈉、硫酸鋇中的一種或多種。
上述的優選限定的幾種發泡劑、發泡劑助劑和改性劑，其所制 成的泡沫玻璃的孔徑、孔壁的厚度、泡孔結構以及機械強度等均能 很好地滿足作為濾料時的性能需求。其制成的泡沫玻璃濾料顆粒比 重和容重小，而且比表面積大，具有很好的膨脹性能和懸浮物的截 留能力。
可選的，在步驟3)中，所述熔融發泡的過程具體包括：
將熔融發泡設備以10℃/分鐘的升溫速度升至600-1100℃，并 發泡2-4小時;
和/或;
所述再次粉碎的粒度為0.5-1.0毫米。
在熔融發泡的過程中，對于熔融發泡設備(熔融發泡爐)的爐 內溫度，優選以10℃/分鐘的升溫速度升至600-1100℃，該升溫速 率和終點發泡溫度可以保證混合原料發泡完全。而且發泡時間控制 在2-4小時內，一般而言，熔融發泡溫度相對低時，發泡時間較長; 反之，熔融發泡溫度相對高時，發泡的時間稍長。
另外，在冷卻的過程中，為了保證泡沫玻璃的性能，優選地采 用自然冷卻，該冷卻方式緩慢，柔性，可以防止驟冷而導致產品性 能發生改變。最后，在冷卻完成后再次粉碎的過程中，將經過發泡、 冷卻后得到的物料粉碎成0.5-1.0毫米的顆粒(根據實際需要可篩選 出不同粒徑的濾料)，以滿足其作為濾料的應用需求。
所述的水處理用輕質過濾介質的制備方法制成的泡沫玻璃在作 為水過濾介質中的應用。
與現有技術相比，本發明的有益效果為：
(1)、本發明提供的這種水處理用輕質過濾介質因泡沫玻璃濾 料比重輕，反沖洗時，易于使濾料層膨脹(最高膨脹率200%)，在 水體紊流和剪切力的作用下，極易使附著在濾料表面上的凝聚物剝 離開，可實現快速反沖洗，從而可大大縮減反沖洗時間和用水量。
(2)、目前，在規模化水處理中的常規砂濾裝置，由于作為濾 料的石英砂比重大，反沖洗時，以較大的動力也只能使濾料層膨脹 率達到50%(石英砂難以被攪動)，所以反沖洗動力消耗高、效果 差。而在投加絮凝劑(或混凝劑)進行微絮凝過濾時，由于過濾水 體中懸浮物含量的增加，使得濾層更加難以膨脹，極易產生濾層堵 塞及濾料的板結(死區)。因此，在規模化水處理的大型砂濾裝置中， 幾乎無法采用“直接微絮凝過濾”技術。為提高出水水質欲增加微 絮凝工藝時，只能采用“混凝-沉降-過濾”工藝，如此就需增設沉 降池，這樣不僅增長了處理流程，而且增加了一次性投資及處理設 施的占地面積。
而當采用本發明提供的這種泡沫玻璃作為濾料時，由于濾料的 比重小，反沖洗時，濾料層的膨脹率可達200%，并極易使懸浮性 污染物從濾料表面剝離，可進行直接微絮凝過濾，從而即可使處理 流程變得簡單(省去了沉降操作以及實現該操作的相應設備)，并可 提高出水水質。
(3)、過濾是指濾料截留水中懸浮的雜質，從而使水得到澄清 的工藝過程。過濾的過程是水中懸浮顆粒與濾料顆粒間吸附作用的 結果，吸附作用主要決定于濾料和水中顆粒的表面物理化學性質， 當水中顆粒遷移到濾料表面上時，在范德華引力和靜電引力以及某 些化學鍵和特殊的化學吸附作用下，它們吸附到濾料顆粒的表面上。 本發明提供的這種泡沫玻璃濾料表面凸凹不平，并具有多棱角、大 比表面積(最大為35m2/g)、多孔性，使其過濾截留懸浮物的能力 大大增強。在同等條件下，采用泡沫玻璃濾料時，要比采用石英砂 濾料(表面相對平滑)時的截污能力強，可更能保障其出水水質要 求。
(4)、本發明提供的這種泡沫玻璃濾料，其空隙率高(60～78%) 和多孔性，將其作為濾料時，其過濾速度可達到20-30m/hr(同等 條件下，常規砂濾濾速為6-10m/hr)，是常規砂濾濾速的3倍，因 此，不僅可大大減小過濾設施的體積，還可節省設施的占地面積。
(5)、本發明中，采用泡沫玻璃作為濾料后，能夠以較少的能 耗實現快速反沖洗，節省了反沖洗時間，同時由于過濾處理能力大、 周期長、水質好，可達到高效、節能的目的。
