專利名稱：凈化水的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及凈化水的方法。該方法用于凈化水中的重金屬和輕金屬離子、放射性核素、硝酸鹽、磷化合物、石油產(chǎn)品遺跡等。
已知的電凝凈化污水法(B.M.MakapoB，IO.П.SenNyeHko N ⅡPypue."PaⅡNOHanbHoe Ncnonb30BaHue N OYNCTKa BONBI Ha MaⅢUHOCTPOCTPOUTeNbHbZX NpeⅢPURTURX"，MockBa，MaⅢuHOCTPOeHue，1988，C.159-170)是往含金屬雜質(zhì)的污水中加入氯化鈉，然后在鐵電極之間通電進(jìn)行電解生成氫氧化鐵吸附重金屬雜質(zhì)，凝結(jié)的沉淀物便從水中分離出來。
所述方法的特點(diǎn)是效率高，每分離1克雜質(zhì)消耗鐵10克左右，但這種方法只能除掉某些金屬離子，如鉻、鎳，而其它大多數(shù)雜質(zhì)(磷酸鹽、硝酸鹽、氯化物、銅、汞、鋁化合物)不能從水中除掉。電解時使用的氯化鈉又增加了水和沉淀物的污染。電凝法的特點(diǎn)是耗電量大，例如在凈化含40克/米3鉻(VI)化合物的污水時，耗電量為12千瓦·小時/米3。由于雜質(zhì)對電極的鈍化作用，水凈化過程的穩(wěn)定性受到破壞。
另一個已知的方法是澳大利亞用于凈化飲用水的Sirofloc流程。("Water treatment using magnetite，astudy of a sirofloc pilot plant Gregory R.，Maloney R.J.，Stocklev M.，J，Inst.water and Environ.Manag.，1988，V.2，N5，pp.532-544)。在該流程中，用機(jī)械粉碎天然磁鐵礦，制得高分散磁鐵礦粉末作為吸附劑。重金屬離子被吸附在磁鐵礦顆粒上并填充在其晶格空位的空穴中。磁鐵礦粉末與被凈化的水接觸時間約為3分鐘。然后借助磁場將粉末從水中分離出來。上述方法的效果取決于所用吸附劑-磁鐵礦的質(zhì)量。磁鐵粉可長期儲存和任意距離運(yùn)輸，質(zhì)量無實(shí)質(zhì)性惡化。凈化水的持續(xù)時間短。
但在實(shí)施上述流程時，需要純度等級極高，且粒度極小(約1-10微米)的磁鐵礦粉。這使得該方法復(fù)雜化并且昂貴。此外天然磁鐵礦粉末不能凈化掉水中所有有害雜質(zhì)。粉碎的天然磁鐵礦的吸附能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其理論值，因?yàn)橹皇悄切┍环鬯槌煞勰┑拇盆F礦暴露出的晶格空位和空穴參與水的凈化。
已知的方法是從含20-40%(重量)FeCl3的氯化鐵水溶液中除掉重金屬(鉻、銅、汞、砷、鎘、鉛)(JP.A，53-82696)。該方法在于用鹽酸或硫酸將要凈化的水溶液的PH值調(diào)至3左右，并加入干鐵粉。攪抖后將沉淀物從凈化后的氯化鐵水溶液中濾除。
由于鐵粉的吸附性低，水的凈化程度并不高。例如，氯化鐵水溶液凈化前含18毫克/升的鉻(VI)，凈化后為6毫克/升。按所述方法需消耗大量鐵粉(每升要凈化的水溶液需400-600克鐵粉)。
已知有凈化水中重金屬(鎘、鋅、銅、鉛、汞、鐵和砷)的方法(JP，A，52-45665)。在pH＝5-7時，向污水中加入吸附劑-干鐵粉，攪拌所得混合物，并將固相沉淀物濾除。在粉末狀鐵和重金屬離子之間發(fā)生吸收-共沉淀反應(yīng)。
用這種方法清除水中上述金屬的程度較高。
采用這種方法，不需要建造復(fù)雜的凈化設(shè)施和使用生產(chǎn)粉末的設(shè)備。因?yàn)榭墒褂霉I(yè)生產(chǎn)的100-400目(25-150微米)粒度標(biāo)準(zhǔn)鐵粉即可。但上述方法的特點(diǎn)是鐵粉消耗量太大(每凈化掉1克雜質(zhì)，消耗鐵60-300克)。
鐵粉消耗量大將導(dǎo)致污水凈化后殘?jiān)捏w積和重量增加，這將加劇對周圍環(huán)境的污染。此外，該方法的特點(diǎn)是生產(chǎn)效率低和過程持續(xù)時間長，因?yàn)閿嚢钑r間不少于60分鐘。該方法只能除去某些重金屬離子，而能否從電鍍產(chǎn)生的污水中除去更普遍存在的鉻離子以及錫、硝酸鹽、硫酸鹽離子和石油產(chǎn)品目前尚無資料。
本發(fā)明的任務(wù)是研制一種借助選擇一種鐵基吸附劑來凈化水的方法。
這種吸附劑在保持較高的水的凈化程度和擴(kuò)大分離雜質(zhì)種類的條件下，可降低鐵的消耗以及提高流程速度和生產(chǎn)效率。
這一任務(wù)是通過提出一種凈化水的方法來解決。該方法包括在水中加入鐵基吸附劑，攪拌并隨后進(jìn)行固相分離。按照本發(fā)明，使用黑色金屬在水中電蝕分散法得到的懸浮液作為吸附劑，而且固相中磁鐵礦含量不低于3(重量)%。
所提出的方法能-降低從要凈化的水中除去每一單位雜質(zhì)鐵的消耗量，例如除去每一單位重金屬的鐵消耗量為3-26克/克。
-借助降低在凈化每單位體積水所形成的殘?jiān)鼣?shù)量來減少殘?jiān)鼘χ車h(huán)境的污染。
-借助提高凈化流程的速度和縮短必須的攪拌時間至3-5分鐘來提高水凈化流程的生產(chǎn)效率。
-增加從水中除去有害雜質(zhì)的種類，從而擴(kuò)大了所提出方法可使用的范圍。
本方法的上述優(yōu)點(diǎn)由于用磁鐵礦含量不低于3(重量)%的鐵粉末水懸浮液作為吸附劑而得以保證。這是因?yàn)楹谏饘?鐵，碳鋼，生鐵)在水中電蝕分散所取得的粉末顆粒具有特殊的金屬結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是晶格空位密度大和化學(xué)活性高。眾所周知，晶格空位能夠成為吸附中心。這可能是提高所述吸附劑吸附活性的原因之一。應(yīng)當(dāng)指出，在電蝕分散過程中，鋼和生鐵中的碳和其它雜質(zhì)被燒掉。
磁鐵礦的存在也是提高粉末吸附活性的條件。磁鐵礦由于電蝕分散獲得的活性鐵與水強(qiáng)烈的化學(xué)作用和伴隨釋放氫氣的結(jié)果而形成的。這種新生成的磁鐵礦無論與普通的鐵，還是與普通的磁鐵礦相比，都具有較高的吸附活性。懸浮液中磁鐵礦含量低于3(重量)%，不能極大地保證提高水的凈化速度。
懸浮液中鐵粉末的較高吸附性也是粉末高分散性(0.1-10微米)所決定的。分散性的提高導(dǎo)致粉末比表面積增加和與水中雜質(zhì)的反應(yīng)速度加快。在已知方法(JP，A，52-45665)中所述這樣高分散性(小于10微米)的干燥鐵粉末不能用于凈化水，因?yàn)樗鼤诳諝庵醒杆僮匀换蜓趸瑥亩D(zhuǎn)變成不吸附水中雜質(zhì)的惰性赤鐵礦。
為了保證水的最佳凈化條件，最好向被凈化的水中加懸浮液，其數(shù)量按干物質(zhì)計(jì)每一克雜質(zhì)加入干物質(zhì)3-120克。上述范圍的下限值3克/克等于懸浮液的吸附容量，而超過上限值120克/克則不能保證大大提高水的凈化速度和程度。
為了提高凈化過程的速度和生產(chǎn)效率，最好將懸浮液與被凈化的水在20℃-70℃溫度下進(jìn)行攪拌，溫度高于70℃將導(dǎo)致凈化速度的降低。
建議將不少于50%(重量)的含鐵、磁鐵礦和被吸附的雜質(zhì)的固相分離物在懸浮液加入階段送入水中并在懸浮液的混合物中用作吸附劑，這樣由于提高了懸浮液的利用效率，可有效地利用懸浮液。
在懸浮液加到未被凈化的水中之前，最好用超聲波攪動，這樣可以破壞懸浮液在儲存和運(yùn)輸期間形成的凝結(jié)塊，以確保提高參與吸附過程的鐵粉比表面積。
建議借助磁場使懸浮液磁鐵礦顆粒磁化來實(shí)現(xiàn)固相分離，因而這些顆粒很快凝集成塊，從而提高后繼的澄清和/或過濾等凈化工序的效率。
建議懸浮液加到被凈化水中之前，將懸浮液煮沸，以便于使用前消毒。例如，凈化飲用水或懸浮液長期儲存時更應(yīng)如此。煮沸過程可極大地提高磁鐵的生成的速度，煮沸后可大大減少儲存期間氫的釋放。
下面結(jié)合示意圖，詳細(xì)描述本發(fā)明-水的凈化方法，示意圖中對實(shí)施本方法的裝置，作一簡略說明。
這套彼此相連接和按工藝流程安裝的設(shè)備包括下列裝置貯槽1，輸送管道2，泵3，懸浮液和要凈化水?dāng)嚢栌萌萜?，水力旋流器5，磁化處理裝置6，沉淀槽7，供水泵8，過濾器9，收集器10。在輸送管道2上，在貯槽1的出口處裝有閥門11。在供水泵3的出口處經(jīng)管道12將工藝順序安裝的容器13和懸浮液攪拌超聲波處理懸浮液裝置14連接到管道2上。在裝置14出口處輸送管道12上裝有閥門15。水力旋流器5的出口經(jīng)管道16連接到泵3入口處的管道2上。在沉淀槽7下方裝有殘?jiān)占?7，沉淀槽上方安裝有開關(guān)18。
為了水的凈化，取鐵在水中電蝕分散后制得的懸浮液，該懸浮液借助SU，A，663515中所述裝置制備，裝置在圖中未給出。該裝置是由絕緣材料制成，并由帶兩個平鋼板電極的容器組成，在其上加有脈沖電壓。兩極之間充填著規(guī)格為10mm球團(tuán)還原(金屬化)的鐵礦石顆粒。在容器底部有網(wǎng)孔，經(jīng)過網(wǎng)孔給水?dāng)嚢桀w粒層。通電后，在水中沿顆粒形成的環(huán)路產(chǎn)生電荷。其結(jié)果發(fā)生顆粒金屬和電極的電蝕分散作用。分散作用的單位耗電量為每千克金屬4千瓦小時。電蝕產(chǎn)品是由懸浮在水中的高分散(小于等于1微米)的鐵粉末組成的懸浮液。電蝕產(chǎn)品被水流帶出容器并在沉淀槽中聚集，其停留時間直到不釋放氫氣泡和表面形成泡沫為止。這時，懸浮液中的鐵開始轉(zhuǎn)變?yōu)榇盆F礦。停留時間和生成的磁鐵礦量列于表1。然后將聚集在沉淀槽底部的懸浮液倒入容器中并將其送去凈化污水。懸浮液用于凈化電鍍產(chǎn)生的污水，其化學(xué)成分列在表1中。
水的凈化在示意圖中所示的設(shè)備中進(jìn)行。要凈化的水收集在貯槽1中，而懸浮液加到容器13中。固相和液相之比(T∶G)如表1中所示。開動泵3，緩慢打開閥門11和15，調(diào)好既定的水流量Q1和相應(yīng)的懸浮液流量Q2。將攪拌機(jī)不斷攪拌懸浮液并經(jīng)管道12從容器13中送到裝置14中，并進(jìn)行超聲波處理，以使其均勻和提高吸附活性。繼而，用泵3將懸浮液(沿管道12，2)和要凈化的水(沿管道2)依次送到三個容器4中的每一個容器。在這些容器中用上升流攪拌懸浮液和水。在容器4中的T∶G比值列于表1。這時水中的金屬離子和其它雜質(zhì)的離子被吸附在懸浮液的顆粒上。容器4的總?cè)莘e應(yīng)等于該裝置在3分鐘內(nèi)所凈化的水的體積。從容器4的最后一個容器中將水和帶懸浮液的水送到水力旋流器5，在這里將沉淀物濃縮成漿。流量為Q3的漿液經(jīng)管道16從水力旋流器流入管道2并進(jìn)一步被泵3吸取，而后稀釋原始懸浮液。漿液中T∶G比值列于表1中。澄清的水和懸浮液殘?jiān)鼜乃π髌?進(jìn)入裝置6，在這里懸浮液的顆粒被磁化并進(jìn)入磁場，從而發(fā)生部分凝集。水從裝置6進(jìn)入沉淀槽7，懸浮液在這里迅速沉淀成沉淀物，沉淀物經(jīng)開關(guān)18不斷排放到收集槽17中。這些沉淀物將被埋掉和廢物利用。澄清的水經(jīng)泵8從沉淀槽7送至帶亞麻帆布濾布的過濾器9，在這里水與懸浮液殘?jiān)蛛x。水從過濾器9進(jìn)入凈水收集槽10中。
在下表1中列出了流程的各種參數(shù)、懸浮液的特性和凈化前、凈化后水中雜質(zhì)的含量。
實(shí)施例1取8個0.5升的污水試樣，其雜質(zhì)的化學(xué)成分列于表2。為除去水中雜質(zhì)，向盛有該污水的量杯(0.5升)中加12滴按上述工藝制成的懸浮液，其不同之點(diǎn)是，將碳鋼塊進(jìn)行電蝕分散，懸浮液的濃度(T∶G)為1∶2，固相中磁鐵礦含量如表2中所列。往需凈化的水中滴入懸浮液的數(shù)量列于表2中。每滴約為0.3毫升。然后用玻璃棒攪抖杯中所含物質(zhì)，攪拌時間如表2中所示，繼而將水靜置10分鐘，此后，將澄清的水小心倒出并在漏斗上經(jīng)濾紙過濾，所得到的凈化水用光比色法和極譜法進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果列于表2中。
實(shí)施例2取5個含放射性核素90Sr和90Y，且放射性為(1-8)×10居里/升的0.5升水樣。
水的全部凈化流程與實(shí)施例1相同，其不同之點(diǎn)是，在容量為0.05升的量杯中進(jìn)行凈化。懸浮液是用含硫生鐵在水中電蝕分散片制成的。每滴懸浮液中固相含量為30毫克，水凈化的各種參數(shù)和結(jié)果列于表3中。
實(shí)施例3用示意圖上所示的上述裝置，對兩批飲用水進(jìn)行凈化。將需凈化的水倒入容器1中并將按上述工藝流程用可阿姆克磁性鐵在水中電蝕分散制成的懸浮液倒入容器13中，其區(qū)別在于懸浮液倒入容器13之前先煮沸一小時，以除去所含細(xì)菌和其它微生物。凈化流程的各種參數(shù)和結(jié)果列于表4中。
本方法用于凈化水中重金屬和輕金屬離子，放射性核素、硝酸鹽、磷化合物離子及石油產(chǎn)品遺跡。
表1
參數(shù) 按本發(fā)明方法按已知方法懸浮液停放 324－時間，小時在懸浮液固相中磁鐵礦含量,(重量)％310 －懸浮液中T∶G比值重量·小時 1∶91∶6－水的流量QI,米3／小時 8 17 －懸浮液流量Q2,升／小時 143 226 －懸浮液與水的攪拌時間，分鐘6 360鐵的消耗量，克有凈化1米3的水 1785 1902 180000從水中除去1克雜質(zhì)36300回返槳液的流量Q3米3／小時 2 4回返槳液中固相濃度，克／升 21.4 44.5容器4中固相濃度，克／升 5.7 10.0水中雜質(zhì)濃度，毫克／升續(xù)表1
1 234
凈化前／凈化后鉻 234／0.07180/0.01 234/180鎘 78／0.43 1.8/0.01 78/0.5鋅 25/0.28 17/0.005 25/0.9鋁 16/0.05 13/0.05 16/12錫 7/0.09 4.4/0.05 7/5鉛 3/0.20.45/0.03 3/0.3鎳 26/0.18 56/0.05 26/20銅 150/0.69 425/0.05 149/6鐵 53／0.5 2.4/0.005 55/50石油產(chǎn)品 8/0.1 6/0.1
表2
試 樣1 2 3 4 5 6 7 8
1 23456789
在懸浮液固相中磁鐵礦的含量％(重量) 30 30 40 50 50 50 5050懸浮液的滴量3222251714攪拌時間，分鐘 13333 3 33鐵消耗量，毫克每凈化1立方分米水 180 120 120 120 1500 60 420820每除去1毫克雜質(zhì) 8555 3123 2雜質(zhì)在水中濃度，毫克1升凈化前／凈化后續(xù)表2
123 4 5 6 7 8 9
鉻(6＋) 22／0.122/0.5鎳 32/0.1鉛 30／0.03銅500/0.1汞 4.95/0.0062鐵 0／0.1 0/0.05 0/0.08 0/0.05 0/0.1 0/0.05 13/0.05 0.8/0.3
表3
參數(shù) 試 樣
1 2 3 4 5
1 2 3 4 5 6
水的放射性×107居里／升凈化前 1.66 1.55 1.61 1.61.5凈化后 0.07 0.05 0.05 0.04 0.04
表4
參數(shù) 各 批 結(jié) 果 對飲用水的要求
1 2
123 4
懸浮液停放時間，小時煮沸前1000 24煮沸后 1000懸浮液固相中磁鐵礦含量，％(重量)煮沸前40 8煮沸后60 20從懸浮液中氣體的釋放速度毫升／小時千克煮沸前0.12.3煮沸后0.05 0.2懸浮液中T∶G比值1∶9 1∶9重量·小時水流量Q1，米3／小時 8 8懸浮液流量Q2,千克／小時 16 8懸浮液與水?dāng)嚢钑r間，分鐘 36
續(xù)表4
1 2 34
鐵消耗量，克每凈化1米3水 200 100從水中凈化掉1克雜質(zhì) 105回返槳液流量Q3,米3／小時 1 1在回返槳液中固相濃度，克／升10 20容器13中固相濃度，克／升 2.4 2.3水的特性凈化前／凈化后∶濁度，毫克／升 19／0.9 19/0.9＜1.5透明度，厘米 7/30 7/30 30pH 6.7/7.06.7/7.26.0-9.0硬度，毫克當(dāng)量／升 3.8/2.9 3.8/3.0＜7.0雜質(zhì)濃度，毫克／升鐵 3.6/0.2 3.6/0.1 ＜0.3錳 0.425/0.02 0.425/0.01＜0.1銅 0.65/0.020.65/0.01 ＜0.1鉛 0.1/0.0010.1/0.002 ＜0.03鋁 1.2/0.01 1.2/0.008 ＜0.02鋅 4.0/0.03 4.0/0.02 ＜5.0
續(xù)表4
1 2 3 4
汞 1.2/0.0007 1.2/0.0006＜0.001鉻(6＋) 1.0/0.005 1.0/0.004 ＜0.05石油產(chǎn)品2.0/0.052.0/0.1 ＜1.9氯 0.1/0.001 0.1/0.005氟 0.63/0.20.63/0.25 ＜0.2硝酸鹽 4.5/3.9 4.5/4 ＜40
權(quán)利要求
1.一種凈化水的方法，該方法包括在水中加鐵基吸附劑、攪拌及隨繼進(jìn)行固相分離，其特征在于用黑色金屬在水中電蝕分散制成的懸浮液作吸附劑，其中固相中磁鐵礦含量不低于3%(重量)。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于加到需凈化水中的懸浮液的數(shù)量按干物質(zhì)計(jì)，每凈化一克雜質(zhì)需3-120克。
3.按照權(quán)利要求1.2的方法，其特征在于懸浮液與要凈化的水在20-70℃溫度下進(jìn)行攪拌。
4.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于含鐵、磁鐵礦和被吸附雜質(zhì)的分離出來的固相的50%(重量)以上送至懸浮液加入水中階段，并在混有懸浮液的混合物中用作吸附劑。
5.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述懸浮液加入到要凈化的水中之前，用超聲波進(jìn)行攪動處理。
6.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于借助磁進(jìn)行固相分離。
7.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述懸浮液加入到要凈化的水中之前，先進(jìn)行煮沸。
全文摘要
凈化水的方法包括向水中加入一種用黑色金屬在水中電蝕分散制成的，且磁鐵含量不少于3％(重量)的吸附劑一懸浮液、攪拌和相繼進(jìn)行的固相分離。加到水中的懸浮液的數(shù)量，按干物質(zhì)計(jì)，每凈化一克雜質(zhì)需3—120克。
文檔編號C02F1/62GK1068549SQ9110465
公開日1993年2月3日 申請日期1991年7月13日 優(yōu)先權(quán)日1991年7月13日
發(fā)明者列昂尼德·帕夫洛維奇·福姆金斯基 申請人:“轉(zhuǎn)子”科研生產(chǎn)聯(lián)合公司