申请日2015.08.20
公开(公告)日2015.10.28
IPC分类号B01D39/06
摘要
本发明提供了一种水处理用轻质过滤介质及其制备方法和应用，属于水处理领域。该水处理用轻质过滤介质为颗粒状的泡沫玻璃，其制备方法包括：在微细玻璃粉末中加入发泡剂、发泡剂促进剂和改性剂后进行混匀，得到混合原料;将混合原料熔融发泡后依次进行冷却和再次粉碎，得到可作为水处理用轻质过滤介质的泡沫玻璃。该泡沫玻璃具有高空隙、大比表面积、多孔、轻质等性质，在使用的过程中，不仅过滤速度快、出水水质优良，且反冲洗时的滤料层极易膨胀(最高膨胀率200%)，非常利于反冲洗快速有效进行，为直接进行微絮凝快速过滤提供了保障;而且该泡沫玻璃过滤介质表面凸凹不平、多棱角、高空隙率、高比表面积，具有非常优秀的悬浮物截留性能。
权利要求书
1.一种水处理用轻质过滤介质，其特征在于，所述水处理用轻 质过滤介质为颗粒状的泡沫玻璃。
2.根据权利要求1所述的水处理用轻质过滤介质，其特征在于， 所述泡沫玻璃的比重为1.2～1.7kg/L。
3.根据权利要求1或2所述的水处理用轻质过滤介质，其特征 在于，所述泡沫玻璃滤料的自然堆积容重为0.5～0.9kg/L。
4.根据权利要求3所述的水处理用轻质过滤介质，其特征在于， 所述泡沫玻璃滤料的空隙率为60～78%。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述的水处理用轻质过滤介质 的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、在微细玻璃粉末中加入发泡剂、发泡剂促进剂和改性剂后 进行混匀，得到混合原料;
2)、将所述混合原料熔融发泡后依次进行冷却、再次粉碎和筛 选，得到可作为水处理用轻质过滤介质的泡沫玻璃。
6.根据权利要求5所述的水处理用轻质过滤介质的制备方法， 其特征在于，在步骤1)之前，还包括：
将废旧玻璃进行破碎，得到3-5mm的玻璃碎片，并将所述玻璃 碎片粉碎至粒径为100-400μm的微细玻璃粉末。
7.根据权利要求6所述的水处理用轻质过滤介质的制备方法， 其特征在于，在步骤1)中：
以重量份数计，所述微细玻璃粉末为93-97份、所述发泡剂为 2-4份、所述发泡剂促进剂和改性剂为1-3份。
8.根据权利要求7所述的水处理用轻质过滤介质的制备方法， 其特征在于，
所述发泡剂包括碳黑、碳化硅、碳酸钙、白云石粉、金云母、 石墨、二氧化锰中的一种或多种;
所述发泡剂促进剂包括硝酸钠、纯碱、硼砂、氟硅酸钠、碳酸 钠、乙二氨盐中的一种或多种;
所述改性剂为三氧化二锑、焦磷酸钠、硫酸钡中的一种或多种。
9.根据权利要求8所述的水处理用轻质过滤介质的制备方法， 其特征在于，在步骤2)中，所述熔融发泡的过程具体包括：
将熔融发泡设备以10℃/分钟的升温速度升至600-1100℃，并 发泡2-4小时;
和/或;
所述再次粉碎的粒度为0.5-1.0毫米。
10.权利要求5-9任一项所述的水处理用轻质过滤介质的制备方 法制成的泡沫玻璃颗粒在作为水过滤介质中的应用。
说明书
一种水处理用轻质过滤介质及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及水处理领域，具体而言，涉及一种水处理用轻质过 滤介质及其制备方法和应用。
背景技术
过滤是在水处理领域中应用最为广泛的一种工艺技术，目前， 几乎所有的净水工业都必须采用过滤技术。而且，随着环保法的日 益强化，大部分城市污水处理厂都要达到《城镇污水处理厂污染物 排放标准GB18918-2002》中的一级A标准。因此，过滤技术也成 为城市污水处理厂达到一级A标准的必不可少的处理手段之一。
相关技术中，考虑到处理的经济性、成熟性和实用性等因素， 在现有的过滤技术中，仍以传统的以普通砂、海砂和石英砂等为滤 料的砂滤技术为主流。
然而，现有的砂滤技术中，由于砂子滤料比重大(2.60以上)， 因此，难以实现较为充分的反冲洗，而且反冲洗的水量大;其次， 因石英砂滤料空隙率低(50%以下)、表面积小(0.04m2/g)，故其 截污能力较差，还存在滤料易板结(死区)、反冲洗频繁(由于较难 实现充分的反冲洗，因此常增加反冲洗的次数)等现状，严重影响 着水厂出水的水质和生产效率。所以，现有的砂滤技术由于过滤介 质选择不当，因而存在着能耗高、过滤周期短、效率低等诸多问题。
此外，现行污水处理厂为达到去除生化出水中TP(总磷)的目 的，必须增设絮凝工艺。然而，絮凝后进行直接微絮凝过滤时，由 于过滤水体中悬浮物含量增加，更容易导致滤层堵塞和板结(死区)， 从而导致滤料板结问题更为突出。所以，只能采用“絮凝-沉降-过 滤”工艺，从而额外增加了一个沉降的过程，如此一来，不仅大大 增加了建设资金，最终使污水处理流程过长、设施占地面积大、生 产管理难度及运行费用增加等。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种水处理用轻质过滤介质，所述 的过滤介质为颗粒状的泡沫玻璃，其具有轻质的性质，在反冲洗过 程中，其易于实现滤料层膨胀(最高膨胀率200%)，非常利于反冲 洗快速有效进行，为直接进行微絮凝过滤提供了保障;而且该泡沫 玻璃过滤介质其表面凸凹不平，并具有多棱角、高空隙以及多孔性 和大比表面积，具有非常高的过滤截留悬浮物的性能。
本发明的第二目的在于提供一种所述的水处理用轻质过滤介质 的制备方法，该方法操作简单，条件易于控制，非常便于泡沫玻璃 粉末的制备。
本发明的第三目的在于提供所述的水处理用轻质过滤介质的制 备方法制成的泡沫玻璃的用途，以实现其在水处理领域的应用价值。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明提供了一种水处理用轻质过滤介质，所述水处理用轻质 过滤介质为颗粒状的泡沫玻璃。
本发明提供的这种水处理用轻质过滤介质为泡沫玻璃，泡沫玻 璃作为滤料时，其比重轻，反冲洗时，易于使滤料层膨胀(最高膨 胀率200%)，在水体紊流和剪切力的作用下，极易使附着在滤料表 面上的凝聚物剥离开，因此，不仅实现了快速反冲洗，且大大减少 反冲洗用水量，为进行直接微絮凝过滤提供了保障，从而简化常规 的“絮凝-沉降-过滤”中的沉降工艺。
另外，由于泡沫玻璃滤料表面凸凹不平，并具有不规则、多棱 角、高空隙率、高比表面积和多孔性，使泡沫玻璃滤料过滤截留悬 浮物的能力大大增强，在同等条件下，采用泡沫玻璃滤料时，要比 采用普通砂滤料(表面平滑、无孔)时的截污能力强，有效保障出 水水质需求。
再者，由于泡沫玻璃滤料的空隙率高，从而使得滤层可容纳悬 浮性污染物的能力也大大提高。因此，可大大提高过滤速度和效率， 进而可大大缩小过滤设施的体积，从而可减少处理设施的占地面积。 进一步的，由于泡沫玻璃作为滤层时，由于比重轻，以较小的动力 即可实现快速反冲洗，从而节省了反冲洗时间和动力消耗，而且过 滤处理能力大、水质好，具有高效、节能以及环保的效果。
综上所述，该新型的轻质过滤介质，其可以克服现有技术中砂 率技术存在的能耗高、过滤周期短、效率低、污水处理流程过长、 设施庞大、占地面积增加、生产管理难度以及运行大等一系列的缺 陷。
可选的，所述泡沫玻璃滤料的比重为1.2～1.7kg/L。
过滤是水中悬浮颗粒与滤料颗粒间吸附作用的结果，吸附作用 主要决定于滤料和水中颗粒的表面物理化学性质，当水中颗粒迁移 到滤料表面上时，在范德华引力和静电引力以及某些化学键和特殊 的化学吸附作用下，它们吸附到滤料颗粒的表面上。此外，某些絮 凝颗粒的架桥作用也同时存在。经研究表明，过滤主要还是悬浮颗 粒与滤料颗粒经过迁移和吸附两个过程来完成去除水中杂质的过 程。
随着过滤时间的增加，滤层截留杂质的增多，滤层的水头损失 也随之增大，其增长速度随滤速大小、滤料颗粒的大小和形状，过 滤进水中悬浮物含量及截留杂质在垂直方向的分布而定。在处理一 定性质的水时，正确确定滤速，滤料颗粒的大小，进水水质，滤料 及厚度之间的关系，具有重要的技术意义与经济意义。因此，对于 过滤而言，滤料选择以及物理形态，性质对过滤效果具有至关重要 的影响，现有技术中，石英砂滤料比重大(2.65kg/L左右)、膨胀 率低(50%以下)、孔隙率低(50%以下);因此，不仅难以实现较 为充分的反冲洗，而且动力消耗高和产生的反冲洗水量较大;特别 是存在滤料板结(死区)的缺陷。
在本申请中，对泡沫玻璃滤料的比重优选限定为1.2～1.7kg/L， 具有该比重的泡沫玻璃滤料，泡沫玻璃滤料的比表面积为25-35 m2/g，其可实现约为200%的膨胀率，在水体紊流和剪切力的作用下， 极易使附着在滤料表面上的凝聚物剥离开，以较少的能耗可实现快 速反冲洗、缩减反冲洗时间和用水量的效果。
可选的，所述泡沫玻璃滤料的自然堆积容重为0.5～1.0kg/L。
可选的，所述泡沫玻璃滤料的空隙率为60～78%。
可选的，所述泡沫玻璃滤料的比表面积为25-35m2/g。
基于上述同样的理由，对泡沫玻璃滤料的自然堆积容重，或者 对其空隙率和比表面积进行了进一步的限定，一方面满足膨胀率要 求，另一方面也提高了滤层的容纳悬浮性污染物的能力，大大提高 其对过滤水体中悬浮物的截留能力以及单位时间内的过滤处理量。
一种所述的水处理用轻质过滤介质的制备方法，包括以下步骤：
1)、在微细玻璃粉末中加入发泡剂、发泡剂促进剂和改性剂后 进行混匀，得到混合原料;
2)、将所述混合原料熔融发泡后依次进行冷却、再次粉碎和筛 选，得到可作为水处理用轻质过滤介质的泡沫玻璃。
该发方法中，以废旧玻璃为初始原料，经破碎、粉碎(得到微 细玻璃粉末)和混合等操作，再经过熔融发泡、冷却等而制成的无 机非金属泡沫玻璃材料。最后经进一步的粉碎、筛选等工艺加工制 得新型轻质、无规则、多棱角、高比表面积、高孔隙率、多孔性新 型水处理人工泡沫玻璃滤料。整个制备方法易于实现，工艺条件易 于控制，而且原料也易于获得。具有非常好的实用性。
可选的，在步骤1)之前，还包括：
将废旧玻璃进行破碎，得到3-5mm的玻璃碎片，并将所述玻璃 碎片粉碎至粒径为100-400μm的微细玻璃粉末。
对于废旧的玻璃，采用先破碎后粉碎的方式，从而实现微细玻 璃粉末的获取，便于与其他助剂混合均匀，而且也有效地利用了废 旧玻璃。
可选的，在步骤1)中：
以重量份数计，所述微细玻璃粉末为93-97份、所述发泡剂为 2-4份、所述发泡剂促进剂和改性剂为1-3份。
在微细玻璃粉末中，加入特定重量份数的发泡剂、发泡剂促进 剂和改性剂;发泡剂促进剂具有助熔(使玻璃粉的软化温度降低，粘 度下降有利于发泡)效果，还可增加玻璃的表面张力，有利于稳定和 控制气泡，改善泡孔结构，使泡孔均匀、细小，有利于提高制品强 度。适量的改性剂能够改善泡沫玻璃的性能，增大发泡温度范围， 减少连通孔，提高机械强度，提高成品率。
可选的，所述发泡剂包括碳黑、碳化硅、碳酸钙、白云石粉、 金云母、石墨、二氧化锰中的一种或多种;
所述发泡剂促进剂包括硝酸钠、纯碱、硼砂、氟硅酸钠、碳酸 钠、乙二氨盐中的一种或多种;
所述改性剂为三氧化二锑、焦磷酸钠、硫酸钡中的一种或多种。
上述的优选限定的几种发泡剂、发泡剂助剂和改性剂，其所制 成的泡沫玻璃的孔径、孔壁的厚度、泡孔结构以及机械强度等均能 很好地满足作为滤料时的性能需求。其制成的泡沫玻璃滤料颗粒比 重和容重小，而且比表面积大，具有很好的膨胀性能和悬浮物的截 留能力。
可选的，在步骤3)中，所述熔融发泡的过程具体包括：
将熔融发泡设备以10℃/分钟的升温速度升至600-1100℃，并 发泡2-4小时;
和/或;
所述再次粉碎的粒度为0.5-1.0毫米。
在熔融发泡的过程中，对于熔融发泡设备(熔融发泡炉)的炉 内温度，优选以10℃/分钟的升温速度升至600-1100℃，该升温速 率和终点发泡温度可以保证混合原料发泡完全。而且发泡时间控制 在2-4小时内，一般而言，熔融发泡温度相对低时，发泡时间较长; 反之，熔融发泡温度相对高时，发泡的时间稍长。
另外，在冷却的过程中，为了保证泡沫玻璃的性能，优选地采 用自然冷却，该冷却方式缓慢，柔性，可以防止骤冷而导致产品性 能发生改变。最后，在冷却完成后再次粉碎的过程中，将经过发泡、 冷却后得到的物料粉碎成0.5-1.0毫米的颗粒(根据实际需要可筛选 出不同粒径的滤料)，以满足其作为滤料的应用需求。
所述的水处理用轻质过滤介质的制备方法制成的泡沫玻璃在作 为水过滤介质中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)、本发明提供的这种水处理用轻质过滤介质因泡沫玻璃滤 料比重轻，反冲洗时，易于使滤料层膨胀(最高膨胀率200%)，在 水体紊流和剪切力的作用下，极易使附着在滤料表面上的凝聚物剥 离开，可实现快速反冲洗，从而可大大缩减反冲洗时间和用水量。
(2)、目前，在规模化水处理中的常规砂滤装置，由于作为滤 料的石英砂比重大，反冲洗时，以较大的动力也只能使滤料层膨胀 率达到50%(石英砂难以被搅动)，所以反冲洗动力消耗高、效果 差。而在投加絮凝剂(或混凝剂)进行微絮凝过滤时，由于过滤水 体中悬浮物含量的增加，使得滤层更加难以膨胀，极易产生滤层堵 塞及滤料的板结(死区)。因此，在规模化水处理的大型砂滤装置中， 几乎无法采用“直接微絮凝过滤”技术。为提高出水水质欲增加微 絮凝工艺时，只能采用“混凝-沉降-过滤”工艺，如此就需增设沉 降池，这样不仅增长了处理流程，而且增加了一次性投资及处理设 施的占地面积。
而当采用本发明提供的这种泡沫玻璃作为滤料时，由于滤料的 比重小，反冲洗时，滤料层的膨胀率可达200%，并极易使悬浮性 污染物从滤料表面剥离，可进行直接微絮凝过滤，从而即可使处理 流程变得简单(省去了沉降操作以及实现该操作的相应设备)，并可 提高出水水质。
(3)、过滤是指滤料截留水中悬浮的杂质，从而使水得到澄清 的工艺过程。过滤的过程是水中悬浮颗粒与滤料颗粒间吸附作用的 结果，吸附作用主要决定于滤料和水中颗粒的表面物理化学性质， 当水中颗粒迁移到滤料表面上时，在范德华引力和静电引力以及某 些化学键和特殊的化学吸附作用下，它们吸附到滤料颗粒的表面上。 本发明提供的这种泡沫玻璃滤料表面凸凹不平，并具有多棱角、大 比表面积(最大为35m2/g)、多孔性，使其过滤截留悬浮物的能力 大大增强。在同等条件下，采用泡沫玻璃滤料时，要比采用石英砂 滤料(表面相对平滑)时的截污能力强，可更能保障其出水水质要 求。
(4)、本发明提供的这种泡沫玻璃滤料，其空隙率高(60～78%) 和多孔性，将其作为滤料时，其过滤速度可达到20-30m/hr(同等 条件下，常规砂滤滤速为6-10m/hr)，是常规砂滤滤速的3倍，因 此，不仅可大大减小过滤设施的体积，还可节省设施的占地面积。
(5)、本发明中，采用泡沫玻璃作为滤料后，能够以较少的能 耗实现快速反冲洗，节省了反冲洗时间，同时由于过滤处理能力大、 周期长、水质好，可达到高效、节能的目的。