含油废水是一种量大面广的工业废水,其成分复杂,浓度范围大,对环境有着各种不同的危害。过滤通常用于含油废水二级处理或深度处理单元,对低浓度含油废水有较好的处理效果。一般来讲,若滤料的疏水性弱,则处理效果就差,反之,若疏水性强,则处理效果就好。石英砂滤料是一种廉价易得、机械强度大、化学性质稳定的无机硬质颗粒滤料,但是疏水性较弱,对油的去除效果还有较大的提升空间。因此,本文提出了利用钛酸酯偶联剂DN101、硅烷偶联剂KH550和铝酸酯偶联剂DL411等改性剂对石英砂滤料进行表面改性的新方法。由于偶联剂具有亲无机基团和长链有机基团两种不同性质的官能团,亲无机官能团能与石英砂滤料表面的羟基发生缩合反应,可将长链有机官能团接枝到石英砂滤料表面,从而增加表面的疏水性,提高其除油效率。最终改性了几种以处理含油废水为目标的疏水性滤料。利用DN101、KH550和DL411分别对石英砂滤料湿法改性,制得疏水性滤料MQW-Ti、MQW-Si和MQW-Al,利用DN101对石英砂滤料干法改性,制得疏水性滤料MQD-Ti,利用DN101和KH550对石英砂滤料复合干法改性,制得疏水性滤料MQD-Ti Si。以水对滤料的润湿接触角为指标,分别考察了不同改性剂和改性方法对滤料润湿性的影响,确定了MQW-Ti、MQW-Si、MQW-Al、MQD-Ti和MQD-Ti Si五种疏水性滤料的最佳制备条件。结果表明,改性剂的用量、反应温度和反应时间对改性效果具有影响,其中,改性剂的用量影响效果最大。改性后,水对滤料的接触角未改性石英砂滤料(UQS)的40.1°分别上升到80.6°~89.0°,其疏水性显著增强。利用扫描电镜分析、红外光谱分析、X射线光电子能谱分析以及比表面积分析,研究滤料改性前后的表面物理化学结构,从机理上研究滤料表面改性的物理化学过程。结果表明,改性后石英砂滤料的表面被偶联剂均匀覆盖,其中,湿法改性的表面更光滑,减小了滤料表面的粗糙度,干法改性的表面有大量的细微颗粒,增加了滤料表面的粗糙度。改性后滤料表面含有Si—O—Ti、Si—O—P、Si—O—Si和Si—O—Al等化学键,为石英砂滤料表面羟基与偶联剂缩合反应形成的化学键,证明了偶联剂以化学键的形式接枝到了滤料表面。偶联剂有机官能团与滤料表面的结合强度大,滤料的稳定性较好。经过表面改性,滤料表面被引入C—H和C—C等有机官能团,Si元素含量降低,C和O元素含量增加。研究了滤料的润湿性。理论上,利用静态重量法测定滤料表面的润湿性,可以消除滤料填充床有效水力粒径rd对测定结果的影响。在粒径为0.6mm,接触角为50°时,液体的理论平衡时间为130s,与实验数据一致,实验方法可行,数据可靠。环己烷对6种滤料均为完美润湿液,润湿接触角等于0;水对滤料的润湿接触角均大于0,在此基础之上,推导了水对滤料表面润湿接触角的理论计算公式,并用于石英砂滤料的表面润湿性研究:滤料表面的官能团决定了滤料表面的润湿性。6种滤料的水的接触角大小为:MQW-Ti>MQW-Si>MQD-Ti>MQD-Ti Si>MQW-Al>UQS。MQW-Ti和MQD-Ti表面接枝了非极性基团长链烷基—C17H35和—C8H17,减小了滤料表面的Si含量,表面自由能的极性成分减小,增大了水的接触角。MQW-Si接枝的—NH2(CH2)3有机基团非极性弱于长链烷基,其水的接触角小于MQW-Ti。MQW-Al表面接枝了有机基团—OCOR’,降低了石英砂滤料表面自由能的极性成分,增大了水的润湿接触角,但是其改性效果不如DN101和KH550好,应该与DL411的—OCOR’有机基团有关。与湿法改性相比,干法改性接枝在滤料表面的偶联剂量少,对应的水的润湿接触角小。采用1stopt软件进行曲线拟合,估算了滤料表面自由能,曲线拟合法的R2均大于0.99,拟合程度高,实验方法可行,计算数据可靠。UQS的表面自由能最高,其极性成分为53.0 m J/m2,其中,非极性成分为31.0 m J/m2,极性成分为22.0 m J/m2。改性后滤料的的表面自由能减小,其大小顺序与水的接触角一致。MQW-Ti、MQW-Si、MQW-Al、MQD-Ti、MQD-Ti Si的表面自由能极性及非极性成分分别为:2.4 m J/m2、2.9 m J/m2、4.2 m J/m2、3.4 m J/m2、3.9 m J/m2和28.9 m J/m2、29.0 m J/m2、32.3 m J/m2、29.7 m J/m2、30.9 m J/m2。实验室模拟了含油废水的过滤和反冲洗过程。根据修正后的轨迹模型,含油废水过滤过程油珠粒径在1.3μm左右的接触效率最低,粒径增大或减小都有利于油珠颗粒与滤料表面的接触。在含油废水油珠粒径相同时,滤料改性前后单一收集器的接触效率不变,但MQW-Ti、MQW-Si、MQW-Al、MQD-Ti和MQD-Ti Si的附着效率较UQS的0.48增加到了0.94、0.89、0.55、0.86和0.57。滤床深度越大,或者滤速越低,含油废水的过滤效率越高。根据扩展DLVO理论,在黏附油珠位于第二极小势能处,滤料表面自由能的酸性成分和碱性成分越小,或者水的接触角越大,(负值)的绝对值越大,其关系式为:结合脱附理论、扩展的DLVO理论和v OCG理论,水的接触角、滤速和脱附的油珠最小粒径三者的半经验公式为:在流速4m/h时,UQS、MQW-Ti、MQW-Si、MQW-Al、MQD-Ti和MQD-Ti Si滤床脱落的油珠最小粒径分别为0.82μm、1.31μm、1.29μm、1.24μm、1.27μm和1.26μm,说明改性后黏附的油珠更不容易脱落,从而增大了油的去除效率。在反冲洗强度为26.9 L/(s·m2)时,UQS的反冲洗效率最高,达到87.6%,其次是MQD-Ti Si,为82.8%,效率最低的是MQD-Ti,为78.4%。由于水流剪切作用导致黏附在滤料表面的油珠颗粒发生滚动,在反冲洗时UQS、MQD-Ti和MQD-Ti Si脱附油珠的最小粒径分别为0.248μm、0.385μm和0.381μm。对于含油废水而言,粒径小于0.4μm的油珠颗粒很少,因此,理论上,滤料表面自由能减少后对反冲洗效率的影响较小,而对过滤效率的提高较大。