出　　自： 《中國給水排水》 1994年第2期第38頁
發表時間： ： 1994-2

孫明健(南京軍區空軍勘察設計所)；瞿立河(南京工程兵工程學院)；劉燦生(哈爾濱建筑工程學院)

　　過濾是水處理工藝中的重要環節，提高濾池的產水能力在舊水廠的挖潛改造中具有重要現實意義。濾料是影響濾池產水能力的重要因素，開發、利用新濾料，提高濾池產水能力是水處理技術發展方向之一。
　　鋼毛是用不銹鋼加工而成的纖維絲，它能夠產生高梯度的磁性介質，在高梯度磁分離技術中被應用。人們對鋼毛濾料的認識和研究是從磁學的角度進行的，但對鋼毛濾料本身的過濾作用和過濾機理的認識、研究卻被忽略。

1 過濾作用

　　對不同含鐵原水，未經混合、反應直接通過鋼毛過濾器處理，出水含鐵量達到國家飲用水水質標準(<0.3mgFe/L)，見表1 [1] 。
　　表1中濾速，比現有石英砂濾池除鐵濾速3～12m/h [2] 高得多。
　　對不同含鐵原水投加1.5mg PAM/L，經混合、反應直接通過鋼毛過濾器處理，出水含鐵量達到國家飲用水水質標準。原水含鐵量<3mg/L和6mg/L，濾速分別為150m/h和111m/h，出水含鐵量均<0.2mg/L。

　　以上試驗結果表明:鋼毛濾料本身有極強的過濾作用。

2 機械篩除作用

　　現代過濾理論認為，濾料的機械篩除作用在過濾過程中不起主要作用 [3][4] 。以1 # 鋼毛為例，其尺寸為(30～60)×(10～20)μm 2 ，若其斷面為矩形，折算成圓形則等效直徑19.5～39.1μm，能通過鋼毛孔隙的最大粒徑為3～6μm，比通過一般濾池濾料孔隙顆粒的最大粒徑45μm [3][4] 要小得多。事實上，鋼毛形狀并不是規則的矩形，粗細不均孔隙尺寸將更小，能通過的最大顆粒粒徑也更小。因此，鋼毛濾料比一般濾料的機械篩除作用強得多，僅機械篩除作用就能去除進入濾池水中的大部分顆粒雜質。

在實際濾池的過濾過程中，不僅有機械篩除作用，還有吸附作用、靜電作用、范德華引力作用等，濾池能去除的最小顆粒粒度 [3]、[4] 比計算值小得多。
砂濾去除的最小粒度，小于鋼毛濾料機械篩除能去除的最小粒度，鋼毛濾料怎樣去除3μm以下的顆粒，現作討論。

3 吸除作用

　　現代過濾理論認為，濾池能夠去除比機械篩除作用更小的顆粒，是由于懸浮顆粒的沉降作用、靜電作用、范德華引力作用、水合作用、吸附作用等綜合作用的結果。鋼毛過濾器同樣有上述作用，其中吸附作用顯得尤其突出。
　　吸附能力的大小不僅與材料而且與其表面積也有關，即使是同種材料表面積不同，單位體積的表面能亦不相同，吸附能力也大不相同 [5、6] 。
以1cm 3 水的分割為例，每次分割后使邊長減半。分割得越細，則總表面積越大，表面能也就越高 [5] 。比如分割到邊長為0.001μm時，總表面積已達6000m 2 ，單位體積的表面能為160J。如此大的表面能，必然對物質的物理性質、化學性質產生影響。
　　鋼毛纖維十分微小，吸附作用顯得特別重要。1 # 鋼毛的等效直徑為19.5～39.1μm，取平均值為29.3μm；一般石英砂為0.5～1.2mm，取平均值為0.85mm。進行同樣的“分割”，使每次分割后的粒徑減半，則分割次數可用下式計算:
　　N=ln(R 1 /R 2 )/ln 2 (1)
　　式中N——分割次數
　　R 1 ——石英砂原粒徑
　　R 2 ——分割后石英砂粒徑
　　若將粒徑為0.85mm的石英砂，分割為粒徑0.0293mm，則需經過4.85次分割才能達到。石英砂分割前后表面積之比，可用下式計算
　　
　　 式中S 2 ——分割后總表面積
　　S 1 ——原表面積
　　R 1 ——原粒徑
　　R 2 ——分割后粒徑則分割后的石英砂總表面積是原表面積的29 倍。
　　鋼毛單位表面的吸附能力可能不如石英砂單位表面的吸附能力，但巨大的表面積可以彌補其不足，使鋼毛超過石英砂濾料的吸附能力。
　　金屬表面與液體表面一樣，表面上的原子所受的力是不對稱的，如圖1。金屬內部的原子，周圍對它的吸引力是對稱的，原子在金屬內部移動無需做功；但是，金屬表面上的原子與周圍原子間的吸引力是不對稱的，表面層內原子的密度是從固相密度轉變成液相或氣相的密度。所以，金屬內部的原子吸引力較大，而液相或氣相的吸引力相對要小得多，結果表面金屬原子相對地不穩定，受到向金屬內部的拉力和遷移的趨勢。從能量上看，要將金屬內部的原子移到表面，需要對它做功。這說明，體系表面積的增加，必然使體系的表面能變大，體系就越不穩定。若減少金屬體系的表面能，增加體系的穩定性，則金屬表面對雜質顆粒具有較強的吸附能力，反之則吸附能力差。
　　金屬表面通常不是理想的晶面，而是有臺階、裂隙、溝槽、位錯和熔結等，是很不平坦的粗糙表面，如圖2所示。這就進一步增大了鋼毛濾料的表面積，因而顯示出較強的吸附能力。鋼毛與雜質顆粒間作用力大小，必然引起質的變化。

4 參數分析

　　濾料的孔隙率、形狀系數及比表面積，是影響濾料過濾性能的重要參數。鋼毛濾料同傳統濾料相比，有很多不同之處:
　　4.1 孔隙率M
　　指濾料層中空隙的體積與濾料層體積之比。即
　　M=1-G/(Y×V)(3)
　　式中G——濾層中濾料重量，g
　　V——濾層體積，cm 3
　　Y——濾料比重，g/cm 3
　　鋼毛濾料比常規濾料的孔隙率大得多，鋼毛濾料的孔隙率可達95%以上，而石英砂則為44%～46% [3] 。在同樣流量下，鋼毛孔隙中的速度比常規濾料孔隙中的速度小得多，雜質顆粒所受水流剪力也要小得多，因而，可提高截留雜質顆粒的能力；孔隙率大、水流阻力小，提高濾速和反沖洗強度都極易做到，且動力消耗少；孔隙率大，雜質顆粒滲透到濾層中的深度大，可以做到全容積過濾，充分利用整個鋼毛的截留能力，這是常規濾料做不到的。
　　4.2 形狀系數a
　　指相同體積的不規則與規則顆粒的表面積之比，它對濾層水頭損失、孔隙率及濾料表面積都有影響。形狀系數α可表示

　　以1 # 鋼毛為例，取其平均值為45×15μm，鋼毛為纖維絲狀，則其形狀系數α=1.30，同普通天然砂的形狀系數(1.20～1.30)相當 [3][4] 。事實上，鋼毛表面是不均勻的，其形狀系數α>1.30。
　　4.3 鋼毛比表面積
　　指單位體積濾層濾料的表面積(m 2 /m 3 )。可用下式計算:
　　S=6×A(1-M)/D (5)
　　式中 S——比表面積
　　A——形狀系數
　　D——濾料粒徑
　　以1 # 鋼毛為例，當量直徑平均值為29.3μm，A 鋼 為1.3，則
　　S 鋼 =6×1.3×0.05/29.3
　　以粒徑為0.5～1.2μm的石英砂為例，取其平均值為850μm，A 石 為1.3，M 石 為0.44，則
　　S 石 =6×1.3×(1-0.44)/850
　　∴ S 鋼 /S 石 =2.59 即鋼毛濾料的比表面積是石英砂濾料比表面積的2.59倍。比表面積越大，出水水質越好，過濾作用越強。

5 結論

　　以上分析表明，鋼毛濾料本身有極強的過濾作用，可用于水處理領域的許多方面，如江河水、水庫水、湖泊水、低溫低濁水及特殊水處理等。

6 參考文獻

　　1. 孫明健:《高梯度磁分離法地下水除鐵與鋼毛過濾器研究》，工程兵工程學院碩士學位論文，1992年
　　2. 《給水排水設計手冊》第3冊，中國建筑工業出版社，1986 年
　　3. 許保玖編:《給水處理》，中國建筑工業出版社，1979年
　　4. 顧夏聲編:《水處理》，清華大學出版社，1985年
　　5. 陳宗淇編:《膠體化學》，高等教育出版社，1987年
　　6.[美]Paulc.Himenz著:《膠體化學與表面化學》，周祖康、馬季銘譯，北京大學出版社，1986年
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