隨著我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題日益突出，尤其是城市水環(huán)境的惡化，加劇了水資源的短缺，影響著人民群眾的身心健康，已經(jīng)成為城市可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重制約因素。近年來(lái)，國(guó)家和地方政府非常重視水環(huán)境的保護(hù)，正以前所未有的速度推進(jìn)城市污水處理工程的建設(shè)，有數(shù)百座污水處理廠正在工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中，在這一進(jìn)程中，城市污水處理工藝的選擇，將是工程界面臨的首要問(wèn)題。 
  城市污水中主要污染物包括需氧有機(jī)物、懸浮物病原體、氮磷等。需氧有機(jī)物可降低水體含氧量，使細(xì)菌滋生，惡化水質(zhì)，造成水體變臭。目前，除去污水中有機(jī)物的方法主要有物理化學(xué)吸附法、化學(xué)法和生物法。其中，物理化學(xué)吸附法因具有投資小、工藝操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)而被廣泛采用。筆者研究采用我國(guó)蘊(yùn)藏豐富的煤系高嶺巖(土)作為吸附劑處理城市污水。煤系高嶺巖(土)的吸附作用主要有化學(xué)吸附和物理吸附�；瘜W(xué)吸附主要是由于煤系高嶺巖(土)表面存在大量的鋁、硅等活性點(diǎn)，能與吸附質(zhì)通過(guò)化學(xué)鍵發(fā)生結(jié)合;物理吸附是指煤系高嶺巖(土)與吸附質(zhì)(污染物質(zhì))間通過(guò)分子間引力產(chǎn)生吸附，這一作用主要取決于煤系高嶺巖(土)的多孔性和比表面積，比表面積越大，吸附效果越好。筆者通過(guò)焙燒，一方面脫去煤系高嶺土中的有機(jī)碳和其他雜質(zhì)礦物;另一方面脫去煤系高嶺土中所含水分、羥基，這樣可在煤系高嶺土表面和內(nèi)部形成大量的微孔，使其表面呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，這些暴露于表面的孔穴對(duì)水體和空氣中的化學(xué)物質(zhì)具有一定的吸附性能，而對(duì)于內(nèi)部的孔穴則因?yàn)榇瓮鈱颖∧さ钠帘�、阻擋而只有很小的吸附性能，為了提高其空隙率和比表面積，本實(shí)驗(yàn)采用硫酸活化的方法。 
  筆者通過(guò)改變焙燒時(shí)間、焙燒溫度、煤系高嶺土顆粒和硫酸濃度大小來(lái)找出煤系高嶺土吸附處理生活污水的最佳條件，旨在拓寬煤系高嶺土應(yīng)用領(lǐng)域，為煤系高嶺土吸附法處理生活污水提供理論依據(jù)。 
  1實(shí)驗(yàn)部分 
  1.1實(shí)驗(yàn)原料與儀器 
  1.1.1實(shí)驗(yàn)原料 
  城市生活污水取自內(nèi)江市沱江河生活污水排放口，原水水質(zhì)如表1所示。 

  煤系高嶺土取自四川省樂(lè)山市沙灣區(qū)俊江礦業(yè)有限公司。煤系高嶺土的化學(xué)成分如表2所示。

 722N型可見(jiàn)紫外分光光度計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司;pHSJ-3F型pH計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司;HY-3型多功能調(diào)速多用振蕩器，金壇市億通電子有限公司;SX2-5-12型馬弗爐，天津市科學(xué)器材設(shè)備廠;高速超細(xì)粉碎機(jī)，日本佑崎有限公司。 
  1.2煤系高嶺土活化工藝路線 
  煤系高嶺土活化工藝路線如圖1所示。

  圖1實(shí)驗(yàn)工藝流程

  1.3實(shí)驗(yàn)方法 
  正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用L16(45)正交表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考察焙燒溫度(A)、焙燒時(shí)間(B)、顆粒大小(C)、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)(D)對(duì)煤系高嶺土吸附城市生活污水中有機(jī)物的吸附率的影響，COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定。因素水平詳見(jiàn)表3。

  2結(jié)果與討論 
  正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。表4中K為各因素下相同水平的指標(biāo)之和，S為各因素方差，fj為自由度，F(xiàn)比為(Sj/fj)/(Se/fe)，T為所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)的總和。

  由表4綜合分析可知，煤系高嶺土焙燒活化最佳條件為：A3B2C4D4，即焙燒溫度為700℃，焙燒時(shí)間為30min，顆粒大小為0.106mm(150目)，硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%。在最佳條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得煤系高嶺土吸附城市生活污水中有機(jī)物的吸附率為98.962%，要弱高于正交實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)9號(hào)的98.0%。因此本實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)組合為A3B2C4D4。各因素對(duì)吸附率影響的主次順序?yàn)椋罕簾郎囟?A)、顆粒大小(C)、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)(D)、焙燒時(shí)間(B)。 
  2.1焙燒溫度對(duì)吸附率的影響 
  由表4可知，當(dāng)焙燒溫度在600~700℃時(shí)，吸附率隨焙燒溫度的升高而不斷增加，當(dāng)焙燒溫度為700℃時(shí)，吸附率達(dá)到最大值，此后隨著溫度的升高吸附率反而下降。這是由于煤系高嶺土經(jīng)歷到700℃高溫焙燒過(guò)程中，煤系高嶺土中的高嶺石會(huì)發(fā)生一系列強(qiáng)烈的吸熱和脫水反應(yīng)，從而生成了非晶質(zhì)SiO2和具有活性的γ-Al2O3，煤系高嶺土的表面和內(nèi)在的空隙率大大提高，生成的γ-Al2O3能與硫酸發(fā)生反應(yīng)，生成具有吸附性能的膠狀物質(zhì)，使煤系高嶺土的吸附性能極大提高。當(dāng)溫度高于750℃時(shí)，吸附率反而下降，出現(xiàn)這種情況主要是因?yàn)闇囟冗^(guò)高會(huì)使無(wú)定形SiO2和γ-Al2O3轉(zhuǎn)變成結(jié)晶相石英及莫來(lái)石，石英和莫來(lái)石不能與硫酸發(fā)生反應(yīng)，使煤系高嶺土的吸附能力極大喪失。 
 2.2焙燒時(shí)間對(duì)吸附率的影響 
  由表4可知，當(dāng)焙燒時(shí)間在15～30min時(shí)，隨著焙燒時(shí)間的延長(zhǎng)煤系高嶺土對(duì)城市生活污水中有機(jī)物的吸附率不斷增大，當(dāng)焙燒時(shí)間超過(guò)30min時(shí)，吸附率隨著焙燒時(shí)間的延長(zhǎng)不斷減小。這是由于當(dāng)焙燒時(shí)間為15～30min時(shí)，隨著焙燒時(shí)間的延長(zhǎng)煤系高嶺土中的高嶺石能不斷生成非晶質(zhì)SiO2和具有活性的γ-Al2O3;當(dāng)焙燒時(shí)間超過(guò)30min時(shí)，隨著焙燒時(shí)間的延長(zhǎng)非晶質(zhì)SiO2和具有活性的γ-Al2O3不斷轉(zhuǎn)變成結(jié)晶相石英及莫來(lái)石，從而使煤系高嶺土吸附城市生活污水中有機(jī)物的吸附率不斷降低。 
  2.3顆粒大小對(duì)吸附率的影響 
  由表4可知當(dāng)煤系高嶺土的顆粒在0.25~0.18mm(60~80目)時(shí)，吸附率急速增長(zhǎng)，從0.18~0.106mm(80～150目)時(shí)，吸附率增長(zhǎng)緩慢。這是由于煤系高嶺土顆粒越細(xì)，比表面積就越大，反應(yīng)就越充分。當(dāng)煤系高嶺土的顆粒在0.25~0.18mm(60～80目)時(shí)，焙燒時(shí)就越容易生成非晶質(zhì)SiO2和具有活性的γ-Al2O3，因此也容易與硫酸反應(yīng)生成硅酸鋁凝膠使其吸附性能增強(qiáng)，同時(shí)煤系高嶺土的表面積越大，也越容易吸附污水中的有機(jī)物，所以此時(shí)隨著煤系高嶺土顆粒的增大吸附率急速增長(zhǎng);當(dāng)煤系高嶺土的粒徑為0.18~0.106mm(80～150目)時(shí)，焙燒時(shí)生成的非晶質(zhì)SiO2和具有活性的γ-Al2O3越容易轉(zhuǎn)變成結(jié)晶相石英及莫來(lái)石，使其吸附性能大大減弱，因此盡管煤系高嶺土的比表面積不斷增大，但其吸附率增加緩慢。 
  2.4硫酸濃度對(duì)吸附率的影響 
  由表4可知，當(dāng)硫酸濃度不斷增大時(shí)，吸附率也不斷增大。這是由于硫酸能溶解煤系高嶺土中的γ-Al2O3、FeO等堿性氧化物，生成硫酸鋁等具有混凝作用的鹽類;另一方面酸浸煤系高嶺土還可使其表面微孔內(nèi)變得粗糙，比表面積增加，打開(kāi)煤系高嶺土封閉的孔道，增加孔隙率。濃度越高的硫酸，其酸性、氧化性、炭化性越強(qiáng)，因而經(jīng)其處理后的煤系高嶺土對(duì)城市生活污水中有機(jī)物的吸附率就越高。 
  3結(jié)論 
  通過(guò)5因素4水平的正交實(shí)驗(yàn)，確定了焙燒條件對(duì)煤系高嶺土吸附城市生活污水中有機(jī)物的影響順序分別為焙燒溫度(A)、顆粒大小(C)、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)(D)、焙燒時(shí)間(B)。 
  當(dāng)焙燒溫度為700℃、焙燒時(shí)間為30min、顆粒大小為0.106mm(150目)、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%時(shí)，為最佳條件，在最佳條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得煤系高嶺土吸附城市生活污水中有機(jī)物的吸附率為98.962%。