随着钢铁工业的迅速发展,工业用水量大幅度上升。为了节约淡水资源、降低水耗,同时响应国家“节能减排”的号召,目前钢铁企业已广泛采用循环冷却水+废水处理后做冷却水补充水的供水模式。但由此也带来循环水结垢、腐蚀、重金属和有机物污染等一系列的问题。因此,急需寻找一种无污染、低成本、处理效果稳定的方法来同时达到抑垢除垢和去除重金属及有机污染物的目的。基于此本论文以钢铁工业循环冷却水为对象,提出一种磁场和碳纳米管协同作用的新型水处理方法,并对循环冷却水处理过程中的水垢形成和污染物吸附行为和机理,抑垢和除污效果,尤其是磁场与碳纳米管协同作用的行为、机理和效果进行研究,以期为新方法的技术开发和应用提供理论和技术支撑。论文的主要研究内容和结果如下。(1)进行了磁场单独作用的循环水处理实验,明确了磁场抑制水垢生成的效果和机理。结果表明,无磁场(OT)时循环水电导率基本无变化,表明循环水中导电离子的数量基本不变,循环水趋于稳定。有磁场时,循环水的电导率逐渐增加;磁场强度为0.5T时,循环水的电导率最高,表明导电离子的数量最多,抑制水垢生成的效果最好。最佳磁场条件是:离子浓度K4(900 mg/L),磁场强度K3(0.5 T),水温 K2(303 K),时间 K3(54h),水速 K1(0.17m/s)。无磁场(OT)时循环水的抑垢率一直为零,水中的钙镁离子与碳酸根离子能够结合形成碳酸钙或碳酸镁沉淀。磁场强度为0.5T时,抑垢率最高,54h时抑垢率达到38%。磁场处理条件下循环水的分子内能相对变化量逐渐降低,分子活化能相对变化量逐渐升高,表明循环水趋于稳定状态,钙镁离子更不易与碳酸根离子结合,能够起到抑垢的作用。无磁场时循环水生成的水垢主要以方解石为主;有磁场时循环水形成的水垢主要以文石和球霰石为主。(2)进行了 Fe304/MWCNTs复合材料制备及循环水Pb2+和Zn2+的吸附实验。TEM图像显示大量Fe304纳米颗粒附着在碳纳米管的表面,颗粒直径约为10nm,具有超顺磁性。Fe304/MWCNTs的红外光谱中发现在波数599 cm-1处有一新出现的Fe-○振动峰。XPS图谱表明:在Fe3O4/MWCNTs中存在C、O和Fe三种元素,原子比例是C:O:Fe=0.82:0.11:0.07。根据元素比例计算得到Fe304的质量分数是14.20%。Fe304/MWCNTs的磁滞回线呈现为S型,饱和磁化强度为49.32 A.m2/kg,剩磁和矫顽力都为0,具有超顺磁性。随着溶液pH值的升高,Fe3○4/MWCNTs对Pb2+和Zn2+的吸附量明显增加,pH=5时吸附量达到最高值。吸附动力学结果表明,在6 h时吸附过程达到饱和,对Pb2+和Zn2+的吸附的平衡吸附量分别为48.29 mg/g和2.55 mg/g,并且吸附过程均符合准二级动力学模型。Fe3○4/MWCNTs对Pb2+和Zn2+的吸附过程符合Langmuir等温线模型,Pb2+和Zn2+的理论最大吸附容量分别为69.25和3.979 mg/g。(3)进行了 NH2-SH-Fe304/o-MWCNTs复合材料的制备及吸附实验。结果表明,从TEM图像可以看出Fe304/o-MWCNTs表面负载了氨基和巯基的薄膜,同时均匀、一致的Fe304纳米颗粒附着在碳纳米管的表面,其粒径约为10nm。红外光谱图表明在碳纳米管的表面负载了氨基和巯基,TGA结果表明负载在碳纳米管表面的氨基质量分数约为2.25%,巯基的质量分数约为14.6%。吸附实验结果表明,在pH=6时,NH2-SH-Fe3O4/o-MWCNTs对铅离子、锌离子、苯酚的平衡吸附量分别达到199.6、179.8和56.2mg/g,对铅离子和锌离子的去除率分别达到98%和84%。吸附动力学结果表明:吸附过程符合准二级动力学模型。吸附等温线结果表明,NH2-SH-Fe3O4/o-MWCNTs对Pb2+、Zn2+和苯酚的吸附过程更符合Freundlich模型。吸附热力学实验结果表明,NH2-SH-Fe304/o-MWCNTs对铅离子、锌离子、苯酚的吸附过程属于自发吸附,对铅离子和锌离子的吸附过程属于物理和化学吸附共同作用,而对苯酚的吸附过程属于物理吸附。吸附过程是吸热过程。(4)进行了磁场和碳纳米管协同作用的循环水处理实验。结果表明,TEM图像显示纯化后的多壁碳纳米管插入到氧化石墨烯片层之间,氧化石墨烯和碳纳米管连接在一起形成空间立体结构。NH2-SH-GO/o-MWCNTs的傅里叶红外光谱显示位于1106 cm-1处存在Si-O伸缩振动峰,1445 cm-1处出现新的C-H伸缩振动峰,Si-C、Si-O、Si-N、S-H、-NH2基团吸收峰的出现直接证明氨基和巯基成功负载到GO/o-MWCNTs的表面。XPS结果显示在所制备的吸附剂中存在C、○、N、S和Si元素,其原子百分比分别为82.55%,11.76%,2.76%,1.56%和1.37%。电导率发生微小的波动,而当对循环水施加0.27 T的磁场时,在磁处理时间15min时电导率就迅速增加到285μs/cm。未经过磁处理的循环水的分子活化能的变化量几乎不变。当磁场强度是0.27T时分子内能的相对变化量轻微降低。磁场和碳纳米管协同作用时,磁场仍能起到抑垢的作用,并没有因为碳纳米管的加入抑垢的作用而减弱。同时磁场的存在又促进吸附剂对金属离子的吸附,抑制了对苯酚的吸附。提高温度使循环水的电导率增加,对分子内能的影响不大,降低了分子活化能。此外,提高温度有助于提高吸附剂对铅离子和苯酚的吸附量。