專利名稱：用于從水中除去亞砷酸鹽和砷酸鹽的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及用于從水中除去亞砷酸鹽和砷酸鹽的系統(tǒng)和方法，更具體地，本發(fā)明涉及這樣一種用于從水中除去亞砷酸鹽和砷酸鹽的系統(tǒng)和方法，其包括使砷污染的水與氧化銅(CuO)粒子反應(yīng)預定的時間。
背景技術(shù)：
砷是自然界中存在的物質(zhì)，其在地球中以多種化合狀態(tài)存在。世界上許多地方已經(jīng)報導了飲用水的砷污染。美國環(huán)境保護局(EPA)已經(jīng)表示，飲用水中的砷會使人致癌，并且在目前允許的濃度下水中砷的量可能等于由吸煙所引起的量。
砷是5A族非金屬，更普通的化合價為-3，0，+3和+5。亞砷酸鹽(As+3)和砷酸鹽(As+5)是飲用水和廢水物流中最普通的存在形式。在某些砷影響的地區(qū)，由安全和容易利用的飲用水源替代現(xiàn)有的飲用水源是非常昂貴的。為了滿足人飲用水、灌溉水、家畜和野生生物用水以及水生生物的最高污染物水平(MCL)，必須除去砷以達到安全限度。事實上，在這些情況下，砷的去除可能是更適當?shù)墓┧桨浮?br> 因此，供水者需要一種經(jīng)濟的安全方法來從飲用水中除去砷。此外，從井中獲取水的住戶需要低成本、安全并且有效的砷去除系統(tǒng)的進入點或者使用點。
過去有一些除砷的方法，包括(1)在固定床接觸器內(nèi)在活化氧化鋁上吸附；(2)在普通的水處理裝置中使砷與含水的金屬絮凝物配位，過去是鋁和鐵氫氧化物或者氫氧化合物；(3)通過膜技術(shù)例如反滲透從水中濾出金屬；和(4)電動力學方法，例如電滲析。
令人遺憾地，最普通的去除砷的方法難以除去亞砷酸鹽(As+3)。雖然某些技術(shù)在大規(guī)模城市供應(yīng)上是相當成功的，但是它們對于住宅應(yīng)用是不實際的，因為要求大的空間，需要使用危險化學品，需要經(jīng)常監(jiān)測，以及大的費用。事實上，這些方法的每一種都需要高度熟練的技術(shù)人員來進行日常使用和維護，這使得它們不適合在進入點用于住宅應(yīng)用。
用于住宅水校正的兩種最普通的技術(shù)一直是反滲透(RO)和活化氧化鋁?；罨趸X需要使用苛性的化學品，并且對于使用本發(fā)明可以達到的高流量需要非常大的體積。RO已被證明不是砷去除技術(shù)，因為其不能顯著地減少亞砷酸鹽(As+3)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是從水中除去亞砷酸鹽和砷酸鹽的方法。所述方法包括使所述水與氧化銅(CuO)粒子反應(yīng)預定的時間，然后過濾反應(yīng)的水。
本發(fā)明還包括用于從水中除去亞砷酸鹽和砷酸鹽的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包含被砷污染的水，被加入污染的水中的氧化銅(CuO)粒子，用于過濾CuO/水的過濾器。


圖1是說明按照本發(fā)明從污染的水中去除砷的過程的略圖；圖2是說明按照本發(fā)明構(gòu)成的過濾裝置設(shè)計的略圖；和圖3是說明按照本發(fā)明構(gòu)成的過濾器設(shè)計的略圖。
具體實施例方式
氧化銅的制備提出的方法使用廉價的固體粒子，并且從水中除去亞砷酸鹽和砷酸鹽。脫除動力學是迅速的，方法是簡單的，并且該方法不產(chǎn)生有害的副產(chǎn)品。從水中將砷物質(zhì)減少到低于EPA對人飲用水要求的十(10)微克/升。在對系統(tǒng)的pH進行調(diào)節(jié)(pH為6.0)和不進行調(diào)節(jié)(pH在7.5-8.5之間)下進行實驗。
當氫氧化鈉與氯化銅反應(yīng)時，形成氫氧化銅。當將氫氧化銅在室溫下放置一天時，其作為氧化銅沉淀出來。
將CuO過濾，干燥，然后研磨為細粉末。這種實驗室制備的CuO被用于從水中除去砷。
標準樣品的制備亞砷酸鹽標準樣品使用亞砷酸鈉鹽(NaAsO2)制備。
使用1000ppm的亞砷酸鹽標準物制備1ppm，500ppb，250ppb，100ppb，和10ppb的亞砷酸鹽標準樣品。
使用砷酸鈉鹽(Na2AsO4)制備砷酸鹽標準樣品。
使用1000ppm的砷酸鹽標準物制備1ppm，500ppb，250ppb，100ppb，和10ppb的砷酸鹽標準樣品。
硫酸鈉鹽(Na2SO4)被用于制備1,250ppm，1,000ppm，250ppm，和50ppm的硫酸鹽標準樣品。
實驗制備砷標準溶液，并且在錐形燒瓶中使每批50ml的標準溶液與0.5克CuO反應(yīng)。將錐形燒瓶固定在機械搖動器上，并且反應(yīng)預定的時間。在反應(yīng)之后，將溶液過濾，并且使用ICP質(zhì)譜法分析砷。
結(jié)果1.亞砷酸鹽與0.50克CuO粒子反應(yīng)。

2.砷酸鹽與0.25克CuO粒子反應(yīng)。

3.五百(500)ppb的亞砷酸鹽和不同濃度的硫酸鹽與0.5克CuO粒子反應(yīng)。

4.砷酸鹽與0.5克CuO粒子反應(yīng)。

5.五百(500)ppb的砷酸鹽和不同濃度的硫酸鹽與0.5克CuO粒子反應(yīng)。

6.從四種不同的物流收集的水中摻料(spiked)的并且與0.5克CuO粒子反應(yīng)的砷酸鹽(125ppb)。

7.從四種不同的物流收集的水中摻料的并且與0.5克CuO粒子反應(yīng)的亞砷酸鹽(150ppb)。

以下在不進行pH調(diào)節(jié)的情況下從天然水中脫除砷的數(shù)據(jù)表明，利用本發(fā)明可以從水中除去砷。


在本發(fā)明中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了用于在自然條件下通過CuO粒子有效脫除砷物質(zhì)的三種可能的機理1)對于在水中的CuO粒子的ZPC所處的pH與任何其他吸附劑相比處于較高的pH，因此這些粒子可以具有較高的砷物質(zhì)的親合性；2)亞砷酸鹽和砷酸鹽具有適當?shù)脑映叽?，因此這些原子運動到CuO粒子的結(jié)構(gòu)中；和/或3)在7-9的pH范圍內(nèi)，從CuO粒子溶解的Cu2+可能與亞砷酸鹽配合，其進而被CuO粒子吸附。所述數(shù)據(jù)說明，CuO粒子可以在不同的條件下將水中的亞砷酸鹽和砷酸鹽兩者降低到大大低于對人飲用水所要求的污染物極限，10微克/升。
本發(fā)明的方法是迅速的，并且不要求pH調(diào)節(jié)。水中的其他普通的離子不影響砷物質(zhì)的脫除。此外，所述方法是簡單的，有效的，和廉價的。此外，所述方法不產(chǎn)生有害的副產(chǎn)品。本發(fā)明的方法通過改善不發(fā)達國家和發(fā)達國家所依賴的飲用水的質(zhì)量，能夠解決不發(fā)達國家和發(fā)達國家所面臨的嚴重的健康和環(huán)境問題。
結(jié)論1.砷酸鹽和亞砷酸鹽顯示了強的對水中CuO的親合性。
2.當使用0.5克CuO時，砷酸鹽和亞砷酸鹽可以在高硫酸鹽濃度下從水中除去。
3.CuO有效地除去了從天然水摻料的砷酸鹽和亞砷酸鹽。
4.可以有效地使用CuO來從飲用水和/或污染的水中除去砷物質(zhì)，而無需調(diào)節(jié)天然pH。
用于從自來水中除去亞砷酸鹽和/或砷酸鹽的系統(tǒng)，如圖2中所示，包含用于將液體中的砷轉(zhuǎn)化為As3和/或As5的氧化階段。氧化銅接觸室被配置在氧化階段的下游，用于容納氧化銅和用于混合氧化銅與包含As3和/或As5的液體。過濾器被配置在接觸室的下游，用于從液體中除去一種或多種砷配合物。所述系統(tǒng)還可以包括活性炭室，用于容納過濾的液體，和用于接收活性炭過濾的液體的混合床離子交換介質(zhì)。
用于從水中除去亞砷酸鹽和/或砷酸鹽的處理和過濾器系統(tǒng)，如圖3所示，包含氧化銅接觸段，其用于氧化銅與包含在水流中的砷的反應(yīng)，該反應(yīng)產(chǎn)生亞砷酸鹽和/或砷酸鹽?；钚蕴窟^濾器被配置在氧化銅接觸段的下游?；旌洗搽x子交換段被配置在活性炭過濾器的下游，并且其中氧化銅接觸段，活性炭過濾器，和混合床離子交換段被放置在適合于連接到水源的殼體內(nèi)。處理和過濾器系統(tǒng)的殼體是充分緊湊的，以使所述系統(tǒng)能夠被固定到家庭水龍頭的出口上。
以上在附圖中解釋和詳細描述了本發(fā)明的示例性說明和優(yōu)選實施方案的例證，教導了各種修正和可供選擇的實施方案。雖然已經(jīng)對本發(fā)明進行了展示，描述和說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，在不背離本發(fā)明的實際精神和范圍下，可以對形式和細節(jié)作出等效改變，并且除了由現(xiàn)有技術(shù)排除的之外，本發(fā)明的范圍僅僅由權(quán)利要求限制。此外，本文公開的本發(fā)明可以適合地在沒有本文公開的特定要素存在的情況下實施。
權(quán)利要求
1.一種用于從液體中除去亞砷酸鹽和砷酸鹽的方法，所述方法包括使所述液體與氧化銅(CuO)粒子反應(yīng)一預定時間；和過濾反應(yīng)的液體。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述液體具有大約6.0的pH。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述液體具有在大約7.5到大約8.5之間的pH。
4.權(quán)利要求1的方法，其中CuO粒子通過包括以下步驟的方法生產(chǎn)使氫氧化鈉與氯化銅反應(yīng)；形成氫氧化銅；將氫氧化銅在室溫下放置一預定時間；沉淀為氧化銅；和將CuO粒子過濾、干燥和研磨成細粉末。
5.權(quán)利要求1的方法，其中過濾的液體具有小于大約10微克/升的砷濃度。
6.權(quán)利要求1的方法，其中CuO粒子的量為大約0.5克。
7.一種用于從液體中除去亞砷酸鹽和/或砷酸鹽的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于在液體中將砷轉(zhuǎn)化為As3和/或As5的氧化級；氧化銅接觸室，其被配置在氧化級的下游，用于容納氧化銅和用于混合氧化銅與包含As3和/或As5的液體；和過濾器，其被配置在接觸室的下游，用于從液體中除去一種或多種砷配合物。
8.權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中所述液體是自來水。
9.權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其還包括用于接收過濾的液體的活性炭室。
10.權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其還包括用于接收活性炭過濾的液體的混合床離子交換介質(zhì)。
11.權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中水具有大約6.0的pH。
12.權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中水具有在大約7.5到大約8.5之間的pH。
13.權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中CuO粒子通過包括以下步驟的方法生產(chǎn)使氫氧化鈉與氯化銅反應(yīng)；形成氫氧化銅；將氫氧化銅在室溫下放置大約一天；沉淀為氧化銅；和將CuO粒子過濾、干燥和研磨成細粉末。
14.權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中將混合水過濾到具有小于大約10微克/升砷濃度。
15.權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中CuO粒子的量為大約0.5克。
16.一種用于從水中除去亞砷酸鹽和/或砷酸鹽的處理和過濾器系統(tǒng)，其包括氧化銅接觸段，其用于氧化銅與包含在水流中的砷的反應(yīng)，該反應(yīng)產(chǎn)生亞砷酸鹽和/或砷酸鹽；活性炭過濾器，其配置在氧化銅接觸段的下游；和混合床離子交換段，其被配置在活性炭過濾器的下游，并且其中氧化銅接觸段，活性炭過濾器，和混合床離子交換段被放置在適合于連接到水源的殼體內(nèi)。
17.權(quán)利要求16的處理和過濾器系統(tǒng)，其中所述殼體是充分緊湊的，使得所述系統(tǒng)能夠被固定到家庭水龍頭的出口上。
全文摘要
提供了用于從水中除去亞砷酸鹽和砷酸鹽的方法。所述方法包括使所述水與氧化銅(CuO)粒子反應(yīng)預定的時間，然后過濾反應(yīng)的水。還提供了用于從液體中除去亞砷酸鹽和砷酸鹽的系統(tǒng)。
文檔編號C02F1/72GK1882507SQ200480034274
公開日2006年12月20日 申請日期2004年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月19日
發(fā)明者K·J·雷迪 申請人:懷俄明州大學