钢毛滤料过滤机理探讨

出　　自： 《中国给水排水》 1994年第2期第38页
发表时间： ： 1994-2

孙明健(南京军区空军勘察设计所)；瞿立河(南京工程兵工程学院)；刘灿生(哈尔滨建筑工程学院)

　　过滤是水处理工艺中的重要环节，提高滤池的产水能力在旧水厂的挖潜改造中具有重要现实意义。滤料是影响滤池产水能力的重要因素，开发、利用新滤料，提高滤池产水能力是水处理技术发展方向之一。
　　钢毛是用不锈钢加工而成的纤维丝，它能够产生高梯度的磁性介质，在高梯度磁分离技术中被应用。人们对钢毛滤料的认识和研究是从磁学的角度进行的，但对钢毛滤料本身的过滤作用和过滤机理的认识、研究却被忽略。

1 过滤作用

　　对不同含铁原水，未经混合、反应直接通过钢毛过滤器处理，出水含铁量达到国家饮用水水质标准(<0.3mgFe/L)，见表1 [1] 。
　　表1中滤速，比现有石英砂滤池除铁滤速3～12m/h [2] 高得多。
　　对不同含铁原水投加1.5mg PAM/L，经混合、反应直接通过钢毛过滤器处理，出水含铁量达到国家饮用水水质标准。原水含铁量<3mg/L和6mg/L，滤速分别为150m/h和111m/h，出水含铁量均<0.2mg/L。

　　以上试验结果表明:钢毛滤料本身有极强的过滤作用。

2 机械筛除作用

　　现代过滤理论认为，滤料的机械筛除作用在过滤过程中不起主要作用 [3][4] 。以1 # 钢毛为例，其尺寸为(30～60)×(10～20)μm 2 ，若其断面为矩形，折算成圆形则等效直径19.5～39.1μm，能通过钢毛孔隙的最大粒径为3～6μm，比通过一般滤池滤料孔隙颗粒的最大粒径45μm [3][4] 要小得多。事实上，钢毛形状并不是规则的矩形，粗细不均孔隙尺寸将更小，能通过的最大颗粒粒径也更小。因此，钢毛滤料比一般滤料的机械筛除作用强得多，仅机械筛除作用就能去除进入滤池水中的大部分颗粒杂质。

在实际滤池的过滤过程中，不仅有机械筛除作用，还有吸附作用、静电作用、范德华引力作用等，滤池能去除的最小颗粒粒度 [3]、[4] 比计算值小得多。
砂滤去除的最小粒度，小于钢毛滤料机械筛除能去除的最小粒度，钢毛滤料怎样去除3μm以下的颗粒，现作讨论。

3 吸除作用

　　现代过滤理论认为，滤池能够去除比机械筛除作用更小的颗粒，是由于悬浮颗粒的沉降作用、静电作用、范德华引力作用、水合作用、吸附作用等综合作用的结果。钢毛过滤器同样有上述作用，其中吸附作用显得尤其突出。
　　吸附能力的大小不仅与材料而且与其表面积也有关，即使是同种材料表面积不同，单位体积的表面能亦不相同，吸附能力也大不相同 [5、6] 。
以1cm 3 水的分割为例，每次分割后使边长减半。分割得越细，则总表面积越大，表面能也就越高 [5] 。比如分割到边长为0.001μm时，总表面积已达6000m 2 ，单位体积的表面能为160J。如此大的表面能，必然对物质的物理性质、化学性质产生影响。
　　钢毛纤维十分微小，吸附作用显得特别重要。1 # 钢毛的等效直径为19.5～39.1μm，取平均值为29.3μm；一般石英砂为0.5～1.2mm，取平均值为0.85mm。进行同样的“分割”，使每次分割后的粒径减半，则分割次数可用下式计算:
　　N=ln(R 1 /R 2 )/ln 2 (1)
　　式中N——分割次数
　　R 1 ——石英砂原粒径
　　R 2 ——分割后石英砂粒径
　　若将粒径为0.85mm的石英砂，分割为粒径0.0293mm，则需经过4.85次分割才能达到。石英砂分割前后表面积之比，可用下式计算
　　
　　 式中S 2 ——分割后总表面积
　　S 1 ——原表面积
　　R 1 ——原粒径
　　R 2 ——分割后粒径则分割后的石英砂总表面积是原表面积的29 倍。
　　钢毛单位表面的吸附能力可能不如石英砂单位表面的吸附能力，但巨大的表面积可以弥补其不足，使钢毛超过石英砂滤料的吸附能力。
　　金属表面与液体表面一样，表面上的原子所受的力是不对称的，如图1。金属内部的原子，周围对它的吸引力是对称的，原子在金属内部移动无需做功；但是，金属表面上的原子与周围原子间的吸引力是不对称的，表面层内原子的密度是从固相密度转变成液相或气相的密度。所以，金属内部的原子吸引力较大，而液相或气相的吸引力相对要小得多，结果表面金属原子相对地不稳定，受到向金属内部的拉力和迁移的趋势。从能量上看，要将金属内部的原子移到表面，需要对它做功。这说明，体系表面积的增加，必然使体系的表面能变大，体系就越不稳定。若减少金属体系的表面能，增加体系的稳定性，则金属表面对杂质颗粒具有较强的吸附能力，反之则吸附能力差。
　　金属表面通常不是理想的晶面，而是有台阶、裂隙、沟槽、位错和熔结等，是很不平坦的粗糙表面，如图2所示。这就进一步增大了钢毛滤料的表面积，因而显示出较强的吸附能力。钢毛与杂质颗粒间作用力大小，必然引起质的变化。

4 参数分析

　　滤料的孔隙率、形状系数及比表面积，是影响滤料过滤性能的重要参数。钢毛滤料同传统滤料相比，有很多不同之处:
　　4.1 孔隙率M
　　指滤料层中空隙的体积与滤料层体积之比。即
　　M=1-G/(Y×V)(3)
　　式中G——滤层中滤料重量，g
　　V——滤层体积，cm 3
　　Y——滤料比重，g/cm 3
　　钢毛滤料比常规滤料的孔隙率大得多，钢毛滤料的孔隙率可达95%以上，而石英砂则为44%～46% [3] 。在同样流量下，钢毛孔隙中的速度比常规滤料孔隙中的速度小得多，杂质颗粒所受水流剪力也要小得多，因而，可提高截留杂质颗粒的能力；孔隙率大、水流阻力小，提高滤速和反冲洗强度都极易做到，且动力消耗少；孔隙率大，杂质颗粒渗透到滤层中的深度大，可以做到全容积过滤，充分利用整个钢毛的截留能力，这是常规滤料做不到的。
　　4.2 形状系数a
　　指相同体积的不规则与规则颗粒的表面积之比，它对滤层水头损失、孔隙率及滤料表面积都有影响。形状系数α可表示

　　以1 # 钢毛为例，取其平均值为45×15μm，钢毛为纤维丝状，则其形状系数α=1.30，同普通天然砂的形状系数(1.20～1.30)相当 [3][4] 。事实上，钢毛表面是不均匀的，其形状系数α>1.30。
　　4.3 钢毛比表面积
　　指单位体积滤层滤料的表面积(m 2 /m 3 )。可用下式计算:
　　S=6×A(1-M)/D (5)
　　式中 S——比表面积
　　A——形状系数
　　D——滤料粒径
　　以1 # 钢毛为例，当量直径平均值为29.3μm，A 钢 为1.3，则
　　S 钢 =6×1.3×0.05/29.3
　　以粒径为0.5～1.2μm的石英砂为例，取其平均值为850μm，A 石 为1.3，M 石 为0.44，则
　　S 石 =6×1.3×(1-0.44)/850
　　∴ S 钢 /S 石 =2.59 即钢毛滤料的比表面积是石英砂滤料比表面积的2.59倍。比表面积越大，出水水质越好，过滤作用越强。

5 结论

　　以上分析表明，钢毛滤料本身有极强的过滤作用，可用于水处理领域的许多方面，如江河水、水库水、湖泊水、低温低浊水及特殊水处理等。

6 参考文献

　　1. 孙明健:《高梯度磁分离法地下水除铁与钢毛过滤器研究》，工程兵工程学院硕士学位论文，1992年
　　2. 《给水排水设计手册》第3册，中国建筑工业出版社，1986 年
　　3. 许保玖编:《给水处理》，中国建筑工业出版社，1979年
　　4. 顾夏声编:《水处理》，清华大学出版社，1985年
　　5. 陈宗淇编:《胶体化学》，高等教育出版社，1987年
　　6.[美]Paulc.Himenz著:《胶体化学与表面化学》，周祖康、马季铭译，北京大学出版社，1986年
　　作者通讯处:孙明健 210018 南京汉府街18号