駱尚廉臺灣大學：環境工程學研究所王永立Wang, Yung-LiYung-LiWang2007-11-292018-06-282007-11-292018-06-282006http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/62611台灣地區暴雨發生時河川水的濁度可能上升至10000 NTU以上，淨水廠常因此被迫減量供水甚至關場停水。如何提升淨水廠對高濁度原水處理的能力，是目前不容忽視的問題。磁性絮聚分離技術 主要是利用磁性顆粒 (Fe3O4)與水中的污染物結合，再利用磁場對磁性顆粒的磁力作用將污染物與水分離，若能將此技術運用在高濁度原水的處理上，應可達到降低原水濁度、減少混凝劑之加藥量及污泥量的效果。 本研究針對高濁度的原水進行外加磁場之磁性絮聚實驗，藉由外加磁場所產生之磁力提供額外的吸引力，以提升混凝沉澱程序去除濁度的效率，並尋求適當的磁種添加量、混凝劑添加量、水質參數及外加磁場強度等操作條件，期望能達到降低原水濁度、減少混凝劑之加藥量及污泥量的效果。另外，本研究亦探討磁種回收再利用的可行性。 實驗結果顯示，以Fe2+/Fe3+混合溶液滴入鹼液的方式所合成之磁種磁性絮聚的效果最佳。且磁種經磁化後，磁性絮聚的效果會增強。本磁性絮聚分離技術可有效降低不同pH值、不同初始濁度以及不同地區之原水濁度。此外，添加少量混凝劑於磁性絮聚程序中，更可有效減少磁種劑量，達到降低加藥成本的目的。在磁種回收方面，陽離子界面活性劑 (CTAB)處理的磁種再生率最高可達99.8%。磁種經0.5CMC之CTAB再生後，重覆使用次數可高達5次。 關鍵字：濁度、磁性絮聚分離、磁性顆粒、外加磁場、 界面活性劑、再生率In Taiwan, turbidity of rivers might rise to above 10000 NTU during rainstorm period which makes water treatment plants failed to supply applicative water. However, the technology of Magnetic Aggregation and Separation can offer an advantage of separating pollutant from water by magnetic force. In this research, high turbidity water treated by magnetic aggregation method with applied magnetic field is studied and the operating parameters are appropriate dosage of magnetite particles, dosage of coagulant, water quality parameters and the strength of applied magnetic field. In addition, the feasibility of reusing magnetite particles is also discussed. The results indicates that magnetite particles synthesized by Fe2+/Fe3+ mixing solution dripped into alkaline solution has the best efficiency of magnetic aggregation which also can be enhanced by magnetized magnetite particles. The method of Magnetic Aggregation and Separation can reduce the turbidity of raw water at different pH values, of different initial turbidity and from different areas. In addition, the addition of coagulant into Magnetic Aggregation Process can both reduce the dosage of magnetite particles and dosage cost. As for the recycle of magnetite particles, the regeneration percentage of magnetite particles treated by cationic surfactant can reach 99.8% and the magnetite particles regenerated by CTAB can also be reused up to 5 times. Keywords：Turbidity, Magnetic Aggregation and Separation, Magnetite particle (Fe3O4), Applied magnetic field, Surfactant, Regeneration percentage目錄 頁次 中文摘要..................................................I Abstract.................................................II 目錄....................................................III圖目錄...................................................VI 表目錄...................................................IX 第一章 緒論...............................................1 1-1 研究緣起..........................................1 1-2 研究目的與內容....................................2 第二章 文獻回顧...........................................4 2-1 濁度之來源及性質..................................4 2-2 固液分離程序......................................5 2-2-1 沉澱程序...................................5 2-2-2 離心程序...................................7 2-2-3 外加磁場作用........................................8 2-3 混凝技術..........................................9 2-3-1 混凝理論...................................9 2-3-2 混凝劑種類及優劣比較......................10 2-4 磁性理論.........................................11 2-4-1 磁性來源及磁性分類........................11 2-4-2 磁性單位..................................15 2-4-3 磁滯曲線與磁滯損失........................15 2-5 磁性分離.........................................19 2-5-1 磁性顆粒的種類............................19 2-5-2 磁性顆粒的合成方法........................21 2-5-3 磁性絮聚理論..............................22 2-6 界面活性劑之介紹與應用...........................25 2-6-1 界面活性劑之分類..........................25 2-6-2 界面活性劑之基本性質......................26 2-6-3 界面活性劑吸附於固體表面之機制............27 2-6-4 磁性顆粒的分離回收方法....................28 第三章 實驗材料與研究方法................................30 3-1 實驗設備與材料...................................30 3-1-1 儀器設備..................................30 3-1-2 實驗材料..................................34 3-2 研究方法.........................................37 3-2-1 磁種合成實驗..............................37 3-2-2 磁性絮聚實驗..............................39 3-2-3 混凝劑添加量實驗..........................39 3-2-4 磁種回收實驗..............................40 3-3 分析方法.........................................41 3-3-1 實驗之主要分析項目.............................41 3-3-2 Fe3O4磁性顆粒之性質量測項目.......................42 第四章 結果與討論........................................45 4-1 磁種的合成實驗...................................45 4-1-1 磁種合成方式對磁性絮聚效果之影響..........45 4-1-2 磁種經不同磁化強度處理對磁性絮聚效果之影響49 4-2 磁性絮聚實驗.....................................53 4-2-1 磁種劑量..................................53 4-2-2 外加磁場強度..............................57 4-2-3 水質條件..................................59 4-3 混凝劑添加量實驗.................................68 4-3-1 混凝劑添加量..............................68 4-3-2 混凝劑種類................................69 4-3-3 沉降速度..................................70 4-3-4 沉澱污泥體積..............................71 4-4 磁種回收實驗.....................................73 4-4-1 利用SDS回收再利用磁種.....................73 4-4-2 利用CTAB回收再利用磁種....................76 4-4-3 界面活性劑之選擇..........................80 4-4-4 磁種使用次數..............................83 4-4-5 殘留界面活性劑濃度之推估..................85 第五章 結論與建議........................................87 5-1 結論.............................................87 5-2 建議.............................................88 參考文獻.................................................89 附錄......................................................i 圖目錄 頁次 圖2-1 磁化率倒數與溫度關係圖............................12 圖2-2 鐵磁性物質之磁滯曲線..............................16 圖2-3 磁性物質：(a) 磁域 (domain) (b) 磁壁 (domain wall)示 意圖磁滯曲線：(c) 初始磁化 (d) 磁化-退磁化過程之磁 區變化示意圖......................................17 圖2-4 典型軟磁和硬磁的磁滯曲線..........................18 圖2-5 Fe3O4內部磁偶極矩分佈示意圖.......................20 圖2-6 界面活性劑示意圖..................................26 圖2-7 微胞結構 (a)正微胞 (b)逆微胞......................27 圖3-1 研究架構與流程圖..................................31 圖3-2 電磁鐵裝置圖......................................32 圖3-3 瓶杯試驗 (Jar test)裝置...........................32 圖3-4 Fe3O4磁性顆粒之合成程序圖.........................37 圖4-1 不同方式合成的Fe3O4之X光繞射圖....................46 圖4-2 不同合成方式磁性絮聚效果的比較圖..................46 圖4-3 Fe2+/Fe3+混合溶液滴入鹼液所合成之磁性顆粒TEM影像圖48 圖4-4 鹼液滴入Fe2+/Fe3+混合溶液所合成之磁性顆粒TEM影像圖48 圖4-5 直接混合所合成之磁性顆粒TEM影像圖.................49 圖4-6 Fe3O4之粒徑分佈圖.................................50 圖4-7 Fe3O4之磁滯曲線圖.................................50 圖4-8 為不同磁化強度處理之磁種磁性絮聚效果比較圖........51 圖4-9 改良後Fe3O4磁性顆粒之合成程序圖...................52 圖4-10 有外加磁場(1000Gauss)的情況下磁種劑量對磁性絮聚效果 影響圖...........................................54 圖4-11 無外加磁場的情況下磁種劑量對磁性絮聚效果影響圖...54 圖4-12 磁性絮聚前水樣之影相圖...........................55 圖4-13 添加磁種後水樣之影相圖...........................55 圖4-14 磁性絮聚中水樣之影相圖...........................55 圖4-15 磁性絮聚後水樣之影相圖...........................55 圖4-16 磁性絮聚前後水中濁度粒子之粒徑分佈圖.............56 圖4-17 不同外加磁場強度對磁性絮聚效果影響圖.............58 圖4-18 不同的沉澱時間下外加磁場強度與殘餘濁度之關係圖...58 圖4-19 濁度顆粒在不同pH值下之界達電位...................59 圖4-20 Fe3O4顆粒在不同pH值下之界達電位..................60 圖4-21 不同的pH值下殘餘濁度與沉澱時間之關係圖...........60 圖4-22 固定磁種劑量 (3.36 g/L)下 ，不同初始濁度原水之殘餘 濁度與沉澱時間之關係圖...........................62 圖4-23 等倍磁種劑量 (隨初始濁度倍數變動)下，不同初始濁度原 水之殘餘濁度與沉澱時間之關係圖...................62 圖4-24 不添加磁種條件下不同初始濁度原水之濁度與淨置時間關 係圖.............................................63 圖4-25 實廠原水之粒徑分佈比較圖.........................65 圖4-26 實廠原水之磁性絮聚效果圖.........................65 圖4-27 板新淨水廠原水 (a) 絮聚前 (b) 絮聚後.............66 圖4-28 豐原淨水廠原水 (a) 絮聚前 (b) 絮聚後.............66 圖4-29 新竹二廠原水 (a) 絮聚前 (b) 絮聚後...............67 圖4-30 不同磁種劑量之殘餘濁度與混凝劑加藥量關係圖.......69 圖4-31 不同種類混凝劑對磁性絮聚效果的影響圖.............70 圖4-32 不同加藥組合殘餘濁度與沉澱時間之關係圖...........71 圖4-33 不同加藥組合所產生之污泥量比較圖.................72 圖4-34 添加不同濃度SDS回收之磁種，其磁性絮聚效果比較圖..74 圖4-35 添加不同濃度SDS回收之磁種，其磁性絮聚後之殘餘濁度和 去除率圖.........................................74 圖4-36 磁性絮聚生成之污泥經高濃度SDS處理後之影像圖......75 圖4-37 添加SDS回收後之磁性顆粒TEM影像圖.................75 圖4-38 添加不同濃度CTAB再生之磁種，其磁性絮聚效果比較圖.77 圖4-39 添加不同濃度CTAB再生之磁種，其磁性絮聚後之殘餘濁度 和去除率圖.......................................77 圖4-40 磁性絮聚生成之污泥經高濃度CTAB處理後之影像圖.....78 圖4-41 添加CTAB再生後之磁性顆粒TEM影像圖................78 圖4-42 不同濃度之CTAB對再生磁種表面界達電位之影響(pH=7).79 圖4-43 磁種經不同濃度之CTAB與SDS分別處理後之再生率......81 圖4-44 磁種使用次數對磁性絮聚效果的影響圖(0.5 CMC之CTAB)81 圖4-45 磁種使用次數對磁性絮聚效果的影響圖(1 CMC之CTAB)..82 圖4-46 磁種使用次數對磁性絮聚效果的影響圖(1.5 CMC之SDS).82 圖4-47 磁種使用次數對磁性絮聚效果的影響圖...............84 圖4-48 磁種使用次數之去除率和再生率圖...................84 圖4-49 CTAB濃度與TOC濃度線性關係圖......................86 表目錄 頁次 表2-1 圓球顆粒在不同Re數範圍的阻力係數表.................5 表2-2 圓球在不同Re數範圍的終端速度公式表.................6 表2-3 不同混凝劑優劣比較表..............................10 表2-4 磁性技術之重要公式與單位..........................15 表2-5 各種金屬之相對導磁係數比較表......................20 表2-6 常見之鐵氧化物之特性..............................21 表3-1 電磁鐵裝置規格表..................................30 表3-2 高濁度原水之水質參數表............................35 表3-3 實驗藥品清單......................................36 表3-4 合成Fe3O4之反應參數表.............................38 表3-5 磁性絮聚實驗之操作項目與操作條件表................39 表3-6 混凝劑添加量實驗之操作項目與操作條件表............40 表3-7 界面活性劑之物理常數..............................40 表4-1 不同方式合成之磁種的比表面積......................47 表4-2 淨水廠之原水水質參數..............................64 表4-3 添加SDS回收後之磁種表面電位 (pH=7)................76 表4-4 CTAB殘留濃度之推估................................85en-US濁度磁性絮聚分離磁性顆粒外加磁場界面活性劑再生率TurbidityMagnetic Aggregation and SeparationMagnetite particle (Fe3O4)Applied magnetic fieldSurfactantRegeneration percentagethesis