生产主要用于从饮用水去除砷的吸附剂的方法和设备

技术领域

本发明涉及生产吸附剂的方法，所述吸附剂主要用于从饮用水去除砷。

背景技术

近年来，饮用水源的可获得性已经变成日益严重的问题。这是由全球人口的指数级增长以及适于饮用的水源变少造成的，水源变少的原因一方面是由于日益增长的工业和农业用水，另一方面是由于饮用水储备受到污染。因此，对现有饮用水源的净化对于向增长数量的社会公众提供健康水来说是必要的。

在饮用水中存在的所有杂质中，砷是其中对人类健康危害最大的杂质。虽然天然水储备中的砷含量可由于自然过程而增加，但是工业和农业活动是引起砷含量升高的主要因素。当人类摄入砷后，砷甚至在低浓度下可导致严重的中毒，且还可诱发大量疾病，例如皮肤癌。因此，饮用水中被允许的砷含量在逐年下降。与早期的50μ/l和30μ/l相比，当前的欧洲联盟指导方针(指令98/83/EC 1998)以及美国EPA指令(US EPA 2002b)规定饮用水中被允许的砷浓度为10μ/l。由于许多饮用水源不满足这些要求，因此，砷去除方法变得越来越重要。

砷在饮用水中以三种形式存在：即As(III)＝亚砷酸盐；As(V)＝砷酸盐；以及结合到不同有机化合物中。在近地表水中更常见地出现As(V)，而As(III)主要存在于地下水储备中。无机砷化合物通常比有机变体的毒性更大，亚砷酸盐比砷酸盐毒性更大，且从水中去除As(III)比As(V)要难得多。

已经提出许多方法来从水中去除砷。其中的一种方法是例如在美国专利6,491,822中所述的反渗透。根据该方法，高压水穿过膜。在膜的一侧水的盐含量增加，而在另一侧上没有盐和离子。该方法适于从水去除所有的杂质，但是缺点在于很昂贵。还有，在净化之后处理后的水应当再引入盐。

另一已知方法使用过滤技术。根据该方法，通过施用助滤剂(铁盐和铝盐)将砷沉淀，于是沉淀物从水中过滤掉。该方法的缺点在于，沉淀条件十分严格并且应总是保持沉淀条件，否则不能实现期望的净化效果，并且该方法不能够去除有机砷化合物。

一类廉价且有效的砷去除方法是吸附作用方法。这些方法的共同主要特征在于，要去除的物质(例如，砷)被选择性地结合到高表面物质(吸附剂)。通常使用的吸附剂可划分为两组：含有水合氧化铁的吸附剂；以及活性铝。美国专利No.6,200,482描述了含有氢氧化铁的吸附剂。

含有氢氧化铁的纳米级吸附剂能够结合砷。这些吸附剂通过将氢氧化铁添加到高表面载体材料(例如，活性炭)上而产生。活性炭首先用铁盐饱和，接着将氢氧化铁化学沉淀到活性炭表面，之后氢氧化铁通过加热结晶成合适的晶体形式。该方法的缺点在于，位于载体材料表面上的水合氧化铁颗粒能够被容易地冲洗掉，所述颗粒夹带有砷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含铁吸附剂，在该吸附剂中夹带有砷杂质的水合氧化铁颗粒不能从活性炭载体材料分离，且因此不能再污染水。由此，与使用常规方法相比，水的砷含量可按照有效得多的方式来减少。本发明的另一目的在于，吸附剂可廉价且经济地生产。本发明的又一目的在于，吸附剂不仅可结合无机砷杂质还可结合有机砷化合物。

本发明基于这样的认识：在同时产生吸附剂所包含的活性炭和高表面活性纳米级氧化铁(磁铁，Fe₃O₄)的情况下，可产生高表面吸附剂，结合的砷杂质不能从该吸附剂冲洗掉。

因此，本发明的目的在于一种用于生产吸附剂的方法，所述吸附剂主要用于从饮用水去除砷，所述方法包括以下步骤：

用水溶性铁盐的水溶液饱和吸湿性、可润湿有机载体材料，接着将其过滤并干燥至恒定重量；

用化学计量比数量(相对于载体材料的铁含量计算)的草酸和/或水溶性草酸盐饱和载体材料，接着将其过滤并干燥至恒定重量，同时将铁离子转化为不溶性草酸铁；

通过厌氧加热将饱和载体材料转化为活性炭，接着使所述饱和载体材料经受厌氧冷却，同时草酸铁分解为铁和二氧化碳；

通过水溶性过氧化物来预氧化活性炭的铁颗粒，过滤活性炭，并冲洗活性炭以从其完全去除盐，接着将其再次过滤并干燥；

通过活性炭的厌氧加热来将形成于铁颗粒表面上的氢氧化铁转化为磁铁，并随后将由此产生的吸附剂以厌氧方式冷却至室温。

适合于碳化的有机物质应用作载体材料。根据实施本发明的优选步骤，麦麸用作载体材料。麦麸容易获得并且易于加工，以及廉价地大量获取。

根据本方法的进一步优选的步骤，莫尔氏盐用作水溶性铁盐。替代性地，还可使用其它水溶性亚铁盐，例如硫酸亚铁或氯化亚铁。

铁盐溶液的浓度应当在50-400g/l的范围内，优选在250-350g/l的范围内。根据本方法的进一步优选的步骤，干燥至恒定重量在40-100℃范围内的温度下进行，优选在70-90℃范围内的温度下进行。

在该方法的又进一步优选的步骤中，草酸钠、草酸钾或草酸铵用作水溶性草酸盐。草酸的浓度设定为25-300g/l，优选为80-120g/l。

根据又进一步优选的步骤，在炉中实施碳化，所述炉的温度为350-800℃，优选为400-500℃。炉的终端温度通过以0.1-0.6℃/s的速率升高温度来实现，所述终端温度维持至少一个小时。

根据进一步优选的步骤，过氧化氢用作水溶性过氧化物。水溶性过氧化物为二硫酸钠或二硫酸铵。根据实施本发明方法的进一步优选的步骤，过氧化物的浓度为5-50％，优选为7-15％。氢氧化铁向磁铁的转化在炉中以厌氧的方式实施1-6小时，优选2-4小时，所述炉的温度为200-900℃，优选为400-800℃。

本发明的另一目的在于一种用于生产吸附剂的设备，所述吸附剂主要用于从饮用水去除砷，所述设备包括第一饱和单元、第二饱和单元、碳化单元、预氧化单元以及转化单元，所述单元相互连接，以在其间传输材料，其中：

第一饱和单元具有包括第一载体材料入口和第一溶液入口的第一高压釜，其中第一高压釜经由第一过滤器连接到第一干燥器；

第二饱和单元具有包括第二载体材料入口和第二溶液入口的第二高压釜，其中第二高压釜经由第二过滤器连接到第二干燥器；

碳化单元具有包括第三载体材料入口的第一炉；

预氧化单元具有包括第一活性炭入口和第三溶液入口的第三高压釜，其中第三高压釜经由第三过滤器连接到冲洗器，并且冲洗器经由第四过滤器连接到第三干燥器；

转化单元具有包括第二活性炭入口的第二炉，其中吸附剂出口连接到第二炉，且其中：

第一饱和单元的第一干燥器通过第二载体材料入口连接到第二饱和单元的第二高压釜；

第二饱和单元的第二干燥器通过第三载体材料入口连接到碳化单元的第一炉；

碳化单元的第一炉通过第一活性炭入口连接到预氧化单元的第三高压釜；以及

预氧化单元的第三干燥器通过第二活性炭入口连接到转化单元的第二炉。

根据本发明设备的优选实施例，载体材料容器通过第一载体材料入口连接到第一高压釜，其中第一溶液槽通过所述第一溶液入口连接到第一高压釜。铁盐容器连接到第一溶液槽。根据本发明的进一步优选的实施例，由第一过滤器分离的铁盐溶液再循环到第一溶液槽中。

草酸槽连接到第二溶液槽。由第二过滤器分离的草酸溶液再循环到第二溶液槽中。

附图说明

本发明将参考附图来描述，其中图1示出了设备的示意图。