随着沿海地区的发展及淡水资源的匮乏，海水利用技术已成为缓解我国沿海地区和海岛水资源短缺、保障水资源可持续利用的必由之路。过滤是海水预处理过程中的重要工序，滤料是影响过滤效果的重要因素之一。海水过滤中常用的滤料为石英砂，其具有耐酸碱、耐磨、耐热等性能。但是，传统滤料表面带负电、比表面积小、表面吸附容量低，对海水中污染物的去除效果不是很理想。
改性滤料是指在载体滤料的表面通过化学反应附着不同功能的改性剂，从而改变原滤料颗粒表面物理化学性质，制成具有优良吸附性能和一定机械强度的改性滤料，以提高滤料的截污能力及对某些特殊物质的吸附能力，改善出水水质。改性滤料对水中的重金属离子、有机物、细菌和病毒等物质均有明显的去除效果。目前，改性滤料在海水预处理工艺中的应用还鲜见报道。本研究以石英砂为载体，制备出6种改性砂，考察其对海水中浊度、有机物、氨氮、总磷的去除效果，为改性滤料在海水预处理工艺中的应用提供参考。
1 材料与方法
1.1 改性砂的制备方法
1.1.1 石英砂的预处理
采用筛分仪筛选出粒径0.6～1.0 mm的石英砂，用蒸馏水清洗干净，置于105 ℃烘箱中烘干；在1 mol/L的HCl中浸泡48 h，浸泡过程采用磁力搅拌器搅拌，以增加吸附表面积；浸泡完成后重复上述洗净、烘干过程，冷却至常温放入封闭容器，待用。
1.1.2 改性砂的制备
分别将氯化铝、硝酸铁、氯化锰、硝酸镁配制成1 mol/L的溶液，各取250 mL，加入一定量2.5 mol/L的NaOH溶液，使之成为悬浊液。在4种悬浊液中分别加入400 g经预处理的石英砂，于70 ℃搅拌浸泡24 h，然后于105 ℃烘干，最后用蒸馏水洗净烘干，即为铝改性砂、铁改性砂、锰改性砂、镁改性砂。
在石英砂表面涂铝涂层和锰涂层的基础上，再分别涂上硝酸铁和硝酸镁改性剂，即为铝铁改性砂和锰镁改性砂。
1.2 试验方法
分别称取原砂和6种改性砂各40 g放入含 200 mL待处理海水的锥形瓶中，用封口膜封口。置于恒温振荡器中，在温度25 ℃、转速130 r/min条件下振荡72 h，取上清液，经定量滤纸过滤，考察改性滤料对TOC、UV254、浊度、氨氮、磷酸盐的去除效果。
2 试验水样及分析方法
2.1 试验水样
试验水样为天津塘沽近岸海水，加入适量NH4Cl和NaH2PO4用以调节试验用水的氨氮和磷酸盐含量，配制海水水质指标如表 1所示。
2.2 分析方法、仪器
表面形貌：FEI Quanta-200型环境扫描电子显微镜（SEM）；TOC：Analytikjena multi N/C 3100型总有机碳/总氮分析仪；UV254：HACH DR5000型分光光度计；浊度：HACH 2100P型浊度仪；氨氮：纳氏试剂比色法；磷酸盐：钼锑抗分光光度法。
3 试验结果与分析
3.1 改性砂的形貌
通过环境扫描电子显微镜观察石英砂与改性砂的表面形貌，可以看出，石英砂表面平滑，有少量的凹槽，比表面积小。改性砂表面形成堆积物，呈凹凸不平的多孔结构，并且完全被改性剂覆盖，这种表面形貌的变化造成了比表面积和吸附性能的差异，使得改性砂更容易吸附水体中的物质。
3.2 改性砂对TOC的吸附效果
图 1为石英砂与改性砂对海水中TOC的去除效果，横坐标中的1、2、3、4、5、6、7分别代表石英砂、铝改性砂、铁改性砂、铝铁改性砂、锰改性砂、镁改性砂及锰镁改性砂。
图 1 7种砂对TOC的去除效果
石英砂TOC的去除率为2.2%，改性砂对TOC的去除率提高了10%以上，其中铝改性砂、铁改性砂、锰改性砂及锰镁改性砂对TOC的去除效果较好，去除率分别为17.9%、19.3%、19.3%、16.8%。
3.3 改性砂对UV254的吸附效果
对比了石英砂与改性砂对海水中UV254的去除效果。结果显示，原海水的UV254为0.060 cm-1，与石英砂相比，经改性砂吸附后的UV254去除率略有提高，铝铁改性砂、镁改性砂及锰镁改性砂的去除率均为28.3%，比石英砂增加了5%左右。UV254反映了水中腐殖质、含有芳香烃和共轭双键的有机物，改性砂的比表面积增大，有机物吸附在表面的金属氧化物涂层及凹凸不平的孔隙中，因此吸附能力有所增强。
3.4 改性砂对浊度的去除效果
图 2为石英砂与改性砂对海水中浊度的去除效果。
图 2 7种砂对浊度的去除效果
由图 2可以看出，铝改性砂、锰改性砂、镁改性砂、锰镁改性砂对浊度的去除率在60%以上，剩余浊度在2.0 NTU以下；铁改性砂、铝铁改性砂对浊度的去除效果较差，剩余浊度分别为3.56、3.27 NTU。海水中的悬浮颗粒大多带负电荷，石英砂表面也带负电荷，两者存在静电斥力，悬浮颗粒难以被吸附在石英砂表面，因此未经改性的石英砂对浊度不能达到理想的处理效果。经改性后，铝改性砂、锰改性砂、镁改性砂、锰镁改性砂表面带正电荷，对悬浮颗粒有较强的吸附作用，因此对浊度有较高的去除率。铁改性砂、铝铁改性砂虽然表面也带负电荷，但对浊度的去除效果较差，主要是含铁成分的改性剂在机械振动条件下易脱落、溶解，稳定性较差，同时增加了海水中的色度。
3.5 改性砂对氨氮的去除效果
图 3为石英砂与改性砂对海水中氨氮的去除效果。
图 3 7种砂对氨氮的去除效果
由图 3可以看出，石英砂对氨氮的去除率为15.3%，改性砂对氨氮的去除率均有所提高，其中铁改性砂和锰镁改性砂对氨氮的去除效果最好，去除率分别为27.1%和25.5%，比石英砂提高了10%左右。改性砂具有较大的比表面积和很强的离子交换能力，对水中铵离子有较大的吸附交换容量。
3.6 改性砂对磷的去除效果
图 4为石英砂与改性砂对海水中总磷的去除效果。
图 4 7种砂对总磷的去除效果
由图 4可以看出，铁改性砂、铝铁改性砂对总磷具有较好的去除效果，去除率分别为80.9%、79.7%，吸附后海水中总磷质量浓度低于0.2 mg/L；铝改性砂、锰改性砂、镁改性砂、锰镁改性砂对总磷的去除率有所降低，分别为51.2%、41.6%、44.4%、40.6%；在相同的条件下，上述6种滤料对总磷的去除率从大到小依次为铝铁改性砂、铁改性砂、铝改性砂、镁改性砂、锰改性砂、锰镁改性砂。海水中的磷主要包括颗粒态和溶解态，未经改性的石英砂在过滤工艺中只能通过截留与黏附作用去除颗粒态的磷，经改性后石英砂更具备了吸附作用，对磷有较强的吸附作用，表面涂层能吸附去除海水中的溶解态磷酸根离子，在截留、黏附与吸附的共同作用下，改性砂对磷有较好的去除效果。。
4 结论
经改性后的石英砂，表面结构和性质发生了较大改变，凹凸不平的多孔结构和表面带的正电荷能提高对海水中带负电荷颗粒物质的物理、化学吸附能力和拦截过滤效果；改性砂对海水中浊度、TOC、UV254、氨氮、总磷的去除效果均优于石英砂，经吸附振荡72 h后，其最高去除率分别为79.5%、19.3%、28.3%、27.1%、95.7%；改性砂增强了滤料的吸附能力，不仅扩大了改性滤料的应用范围，而且拓宽了海水净化工艺的思路，具有一定的研究价值。
