铁质活性滤膜接触氧化除铁原理

　　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。

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