專利名稱：一種飲用水除砷裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及飲用水水中砷的去除，具體地說是一種飲用水除砷裝置。
背景技術(shù)：
砷是劇毒元素之一，近年來地下水砷的污染已經(jīng)引起人們廣泛的關(guān)注.我國的臺灣、新疆和內(nèi)蒙古等地區(qū)地下水砷含量嚴重超標,砷含量最高可達
SOOOpg'L-1,受地下水砷污染影響的地區(qū)達十多個省、自治區(qū)，人口高達1500多萬；國際上地下水砷污染嚴重的國家有印度、孟加拉國、越南、阿根廷、智利、墨西哥、匈牙利等。長期的砷暴露可引起皮膚、肺、肝、腎和膀胱的癌變。世界衛(wèi)生組織1993年重新修訂飲用水砷的最高允許濃度,確定為10嗎七"。歐盟和美國已經(jīng)重新制定飲用水砷的含量標準，飲用水中砷的最高允許濃度從50嗎'L—1下降至10嗎'L"。新的衛(wèi)生標準對砷的去除和工藝提出了更高要求。
目前國內(nèi)外已經(jīng)在如何去除水中砷技術(shù)開發(fā)方面投入了很大的力量，也形成了一些有效的技術(shù)，現(xiàn)將近年來國內(nèi)外開發(fā)和使用的一些處理技術(shù)概述如下。
①吸附法吸附法是飲用水中砷去除的有效方法之一,常用的吸附劑有活性氧化鋁、活性炭、功能樹脂、金屬氧化物如氧化鐵以及各種天然礦物如沸石等。采用離子交換樹脂方法，硫酸根離子等常量干擾離子對砷的干擾大?；钚匝趸X對原水pH有較嚴格的要求,只能在較窄的范圍內(nèi)才能對砷有效去除。天然礦物價格便宜，來源廣泛，但吸附容量一般很低，去除效率不高,且其存在某些微量元素,可能存在其他健康風險.用各種金屬氧化物包括稀土元素氧化物如鑭、鋯、鈰的氧化物，鐵的氧化物如針鐵礦、赤鐵礦、無定形氫氧化鐵等去除砷,但這些氧化物大都不具備良好的孔結(jié)構(gòu)，難應(yīng)用于固定床。地下水中砷酸根和亞砷酸根離子都有一定比例的存在,上述吸附劑大都不能有效去除亞砷酸根離子，因此當用它們?nèi)コ闀r,必須經(jīng)過預氧化過程如用氯和高錳酸鉀氧化等，增加了操作難度和費用。德國的一項專利是將鐵的氫氧化物造粒得到粒狀除砷吸附劑,但它不耐磨,且在柱操作過程中容易結(jié)塊。
②直接沉淀法國內(nèi)常用的飲水除砷方法主要有混凝沉淀法和濾層吸附法等?；炷恋矸ㄖ饕捎描F系混凝劑等藥物除砷，該法不必另外增加處理設(shè)備，具有投資省操作方便的特點，但同時也有投藥量大，污泥產(chǎn)生量大，在處理水中引入其它物質(zhì)等缺點?？紤]到高砷水地區(qū)多為偏遠地區(qū)，經(jīng)濟落后，不具備公共飲用水處理系統(tǒng)，因此經(jīng)濟有效地除砷方法具有更大的實用價值。
4③離子交換法該技術(shù)的優(yōu)勢在于處理裝置簡單、使用方便、處理量大。用陰離子交換樹脂(因砷在水體中以陰離子形式存在)處理含砷水時，對原水質(zhì)量要求較高，主要適用于處理離子成分單一而又對出水水質(zhì)要求較高的飲用水或者工業(yè)用水。如果原水中含有大量硫酸根、磷酸根、硝酸根等陰離子時，樹脂很快就會失效。
膜法膜技術(shù)是利用膜的選擇透過性，根據(jù)污染物分子尺寸與水分子不同借助較高的外壓達到分離物質(zhì)的目的。該技術(shù)理論上可以使分子尺寸大于膜孔徑的所有污染物質(zhì)得到有效去除。根據(jù)膜孔徑的大小可分為微濾膜、超濾膜、納濾膜、反滲透膜。該技術(shù)對設(shè)備、膜、操作條件的要求都很苛刻，而且目前的研究表明，阻擋層帶負電荷的膜對于As(V)的去除有效，而對以電中性形態(tài)存在于水體中的As(III)的去除效果并不理想，還需要對源水進行預氧化處理，無疑成本很高。該技術(shù)主要用于需求量相對較少、對水質(zhì)要求特別高的純水以及超純水的制備。所以目前運用該技術(shù)大規(guī)模治理水體砷污染的時機還不成熟。
⑤ 電滲析法該技術(shù)是將含砷廢水置于兩張半透膜之間，并在兩張半透膜外各插入一支不同性電極，通入直流電，水中陰陽離子在電場力作用下向兩極移動，兩張半透膜只允許陰離子或者陽離子中一種通過，這樣就達到了凈化水體的目的。該技術(shù)要消耗大量的電能、處理周期長、對設(shè)備腐蝕性大、處理量小，目前很不經(jīng)濟。該技術(shù)主要運用于物質(zhì)的純化，用水體砷污染的治理目前處于實驗室探索階段。
⑥ 生物法微生物與砷污染物作用的機理很復雜，目前主要有直接作用機理和間接作用機理。直接機理是各種微生物對砷進行吸收或者是微生物作為電子的傳遞體和接受體消耗有機營養(yǎng)源使AS(III)氧化。間接機理是微生物分泌出的各種生物酶與砷發(fā)生一系列的生化反應(yīng)，使砷以各種有機化合物的形式從水體中去除。
該技術(shù)尤其適用于處理各種物理、化學等常規(guī)技術(shù)無法處理的或者處理效果不理想的水體，該技術(shù)也適用于地下砷污染水體的處理。生物屬于可再生資源、對環(huán)境污染程度小，相關(guān)的研究異常活躍；并且砷污染的適應(yīng)性會隨著環(huán)境刺激作用而強化，這種強化可以遺傳，所以生物技術(shù)具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。但該技術(shù)尚在研究，與應(yīng)用層面還有一定差距。
⑦ 光催化氧化法:光催化氧化技術(shù)是利用光催化劑吸收光能然后在一定的條件下以特定的波長釋放，使水中溶解氧離子化，進而使AS(III)得到氧化。該技術(shù)的優(yōu)勢在于光催化劑加入處理體系后，催化反應(yīng)可以較快進行，光催化劑理論上可永久使用。該技術(shù)只是對砷污染水體進行預處理，還需要配合其他技術(shù)才能達到去除砷的目的。目前的研究多局限于光催化劑吸收紫外光然后放出能量實現(xiàn)As(III)的催化氧化，對于吸收可見光并釋放能量氧化As(III)的效果并不理想。
現(xiàn)有處理技術(shù)普遍存在的問題
5 不能滿足國內(nèi)地下水質(zhì)較為復雜的實際情況，或者實際運行效果不禾急定；
固定投資和運行成本相對較高，有些吸附材料使用壽命短，不易再
生；
*不能同時去除As(III)和As( V )。
因此本發(fā)明針對現(xiàn)有處理技術(shù)存在的問題，旨在開發(fā)一種經(jīng)濟而又實用的適合我國高砷(As(III)和As(V))地下水的高效納米級吸附劑及其裝置，以解決我國部分地區(qū)飲用水砷污染的處理難題。
目前.我國城鄉(xiāng)居民生活用水的水源大多受到不同程度的污染，飲用水質(zhì)量問題成為人們關(guān)注的熱點。在這種情況下.為了提高飲用水的質(zhì)量，家用凈水器應(yīng)運而生，成為家庭消費的另一熱點。家用凈水器是通過多級過濾和吸附等物理方法來提高水質(zhì)量的。用它能夠除去水中的某些細菌、病毒、懸浮物、重金屬等有害人體的物質(zhì)，使水質(zhì)達到國家規(guī)定的飲用水標準。
現(xiàn)在，家用凈水器根據(jù)其工作原理大致分為三類吸附過濾、膜分離過濾、礦化磁化處理。吸附過濾主要是利用活性炭的吸附性能吸附除去水中的雜質(zhì)、有害化合物等；膜分離過濾則是利用特殊加工過的薄膜(其存在很多非常細小的孔，僅能通過水分子，而其它有害雜質(zhì)、生物及重金屬離子等不能通過)對水進行分離處理，送出純水，而濃縮后的污染水從其它水管排出礦化磁化處理則是對水中的離子成分進行調(diào)整，溶解部分對人體有益的離子。達到整水的效果。部分家用凈水器綜合應(yīng)用了以上三種工作原理，因而能得到較好的凈化水質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為高砷地區(qū)的居民提供一種成本低、能夠把飲用水中的砷降低到安全標準的飲用水除砷裝置；其運用自制的一種性能良好、吸附容量大、吸附/解析速率快的納米級的除砷吸附材料，將其運用到經(jīng)濟實用的裝置中，能夠適合分散居民的飲水需求。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為
一種飲用水除砷裝置，包括密閉的中空筒體，所述筒體的上部設(shè)置有排水口，在筒體的下部設(shè)置有進水口；在筒體的內(nèi)部豎向并列設(shè)置有兩個圓筒狀濾芯；
右側(cè)濾芯的底部與筒體的進水口相連通，頂部設(shè)置有出水口；右側(cè)濾
芯的中上部、中部、中下部分別徑向設(shè)置有可拆卸的、帶有小孔的支撐板，
三塊支撐板將右側(cè)濾芯內(nèi)的空腔分隔分為四個部分，從下至上依次為濾床
A、 B、 C、 D，它們即可相互獨立拆分開，又可以組合成一個整體，其主要
作用是對水進行處理，包括粗處理和深處理，左邊的濾芯僅僅對水進行除砷處理；
濾床A內(nèi)沿徑向方向鋪設(shè)有2層或2層以上的無紡布層，原水通過無
6紡布(10-250克/平方米)，過濾濾除水中的大顆粒雜質(zhì)、膠體等物質(zhì)，減輕活性炭工作負荷；
濾床B內(nèi)填充有顆?；钚蕴?、天然沸石和/或麥飯石；通過顆?；钚蕴?、沸石或麥飯石堵截吸附除去相對較小的顆粒雜質(zhì)、膠體、細菌等；
濾床C內(nèi)裝填有市市售的粉末燒結(jié)塊狀活性炭，通過粉末燒結(jié)活性炭層，吸附除去微小的顆粒雜質(zhì)、膠體、有害有機離子、細菌等；
濾床D內(nèi)沿徑向方向鋪設(shè)有2層或2層以上的微濾膜，膜的孔徑大約0.002 0.1|im ，截留分子量為500-500000的雜質(zhì)，其操作壓力在0.07-0.7Mpa左右；微濾膜進一步濾除細微的顆粒雜質(zhì)、膠體、有害有機離子、細菌，保證出水水質(zhì)的純凈；微濾(MF)又稱微孔過濾，它屬于精密過濾，其基本原理是篩孔分離過程。微濾膜的材質(zhì)分為有機和無機兩大類，有機聚合物有醋酸纖維素、聚丙稀、聚碳酸酯、聚砜或聚酰胺等；無機膜材料有陶瓷和金屬等；
左側(cè)濾芯的底部設(shè)置有進水口，頂部與筒體的排水口相連通；在左側(cè)濾芯內(nèi)部填充有負載型飲用水除砷納米吸附劑。
在所述濾床A中的無紡布層和濾床D內(nèi)的微濾膜間均分別設(shè)置有塑料篩網(wǎng)；在所述濾床B和濾床C內(nèi)部設(shè)置有豎向的水流擋板；所述左側(cè)濾芯的進水口與右側(cè)濾芯的出水口間設(shè)置有連接軟管。
所述顆?；钚蕴俊⑻烊环惺?或麥飯石的粒徑為10-100目；所述負載型飲用水除砷納米吸附劑的粒徑為1-100目。
在濾床B與濾床C及濾床C與濾床D間支撐板的下方分別設(shè)置有1-4層的普通醫(yī)用紗布；支撐板上的小孔為圓形或方形，孔徑為l-10mm，小孔的分布為1-10個/cm2。
所述右側(cè)濾芯和左側(cè)濾芯的內(nèi)壁上均分別設(shè)置有磁性材料層。
所述負載型飲用水除砷納米吸附劑，可按如下步驟制備獲得
① 選取孔體積為0.100-0.500 cmVg的市售活性炭，先用可溶性鐵鹽溶液浸泡活性炭10-120分鐘，可溶性鐵鹽溶液與活性炭的體積比為5:1-20:1;
② 在鐵鹽溶液中加入醇溶液作為分散劑；分散劑與可溶性鐵鹽溶液的體積比為0.5:1-5:1;
③ 在室溫惰性氣體保護下，用濃度0.01-0.28M的強還原劑硼氫化鉀或硼氫化鈉滴定鐵鹽，為保證鐵鹽被充分還原，強還原劑物質(zhì)的量是鐵鹽物質(zhì)的量的3-10倍，滴定速度為0.1-5毫升/分鐘，惰性氣體保護，攪拌；
硼氫化鉀或硼氫化鈉溶液滴定完畢后，繼續(xù)攪拌10-120分鐘；⑤攪拌完畢后，離心5-20分鐘，轉(zhuǎn)速為400-4000轉(zhuǎn)/分鐘；先用無氧水洗滌1-3次，再用有機溶劑洗滌1-3次，40-10(TC下真空干燥12-48h得產(chǎn)
□
所述活性炭材料的基質(zhì)來源可為煤質(zhì)、果殼或木質(zhì)。200-40000聚乙二醇；所述可溶性鐵鹽溶液為硫酸鐵0.01-0.038 M、硫酸亞鐵0.01-0.07 M、氯化鐵0.1-0.56 M或氯化亞鐵0.01-0.8 M;步驟④中惰性氣體的流速10-200毫升/分鐘，攪拌轉(zhuǎn)數(shù)10-1000/分鐘。本發(fā)明具有如下優(yōu)點
1.左側(cè)濾芯中納米吸附材料的吸附容量大。本發(fā)明從眾多不同基質(zhì)的活性炭中選擇出適當孔徑分布的活性炭，能夠使納米鐵進入到活性炭內(nèi)部；利用強還原劑還原鐵鹽，并選擇恰當?shù)姆磻?yīng)條件控制所生成納米鐵的粒徑，使之能夠負載到如上所述的活性炭上；選擇合適的負載條件如反應(yīng)時間、分散劑等，使納米鐵能夠均勻穩(wěn)定的負載到活性炭的理想位置；所制備的納米吸附材料可用于吸附法去除飲用水中的砷。其吸附容量可高達20mg/g吸附劑；是市售的單一成分的吸附劑和天然吸附劑的3-200倍；其吸附/解吸速率快，能夠同時有效去除As(III)和As( V)。
2. 左側(cè)濾芯中納米吸附材料制備方法簡單，成本低廉。
① 反應(yīng)條件溫和在常溫常壓下反應(yīng)， 一般實驗室、中小企業(yè)即可制備，不會發(fā)生燃燒、爆炸等危險情況。
② 吸附劑本身安全、經(jīng)濟，不含有危害元素。本吸附劑主要成分為鐵(及其氧化物)、炭，對人體健康沒有危害。即使發(fā)生意外情況(如地震、海嘯、龍巻風等人力不可抗拒因素)，吸附劑出現(xiàn)泄漏進入公共飲用水源系統(tǒng)，也不會對水源造成污染。而市售的復合吸附劑雖然吸附容量大，但常常含有鈰、鑭等過渡元素或者稀有元素，而此類元素本身對人體的健康風險還有待評估。
③ 投資成本低，易轉(zhuǎn)化投產(chǎn)。本吸附劑生產(chǎn)所需設(shè)備簡單，投資小，一般中小企業(yè)即可實現(xiàn)批量生產(chǎn)。而高砷地區(qū)常常經(jīng)濟相對落后，這一點特別有現(xiàn)實意義和經(jīng)濟意義。
3. 左側(cè)濾芯中納米吸附材料應(yīng)用壽命長，易于再生。與市售的其它吸附劑相比，該吸附劑不但使用壽命長，而且容易再生，再生后吸附能力可高達原吸附能力的91.7%以上，大大提高了該吸附劑的經(jīng)濟性能；同時其性狀安全穩(wěn)定，易于儲存、運輸。
4. 該裝置結(jié)構(gòu)合理。設(shè)計制作的除砷裝置設(shè)計合理凈水工藝由粗到
精；左右兩個濾芯功能分配合理，即可以聯(lián)合使用又可以參照水質(zhì)單獨使
用其中一個；擋板可以有效防止水流短路；篩網(wǎng)不但對紗布和其它過濾層
起到有效支撐作用，而且還可以防止水的徑向流動；磁性材料可以有效防止水結(jié)垢堵塞水流通道。采用可靈活拆卸的組合裝置，拆卸、清洗、修理簡便。
5. 除砷裝置成本低，應(yīng)用效果好。本發(fā)明針對砷的理化特性，結(jié)合地
下水成分復雜的難點，利用自制的納米材料能夠吸附去除高砷水源地區(qū)地下水中的大部分砷，其出水水質(zhì)達到了歐盟和美國的飲用水砷含量標準，
確保高砷地區(qū)居民的飲用水安全；本發(fā)明所用的活性炭以及其它材料，在說
我國量大易得，完全能夠滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需要；設(shè)計制作的除砷裝置除
砷效率高，成本較低，安裝、移動方便，適合各個家庭分散使用(即可用于高砷地區(qū)，也可用于普通城鎮(zhèn)使用)，能有效解決高砷水源地區(qū)由于經(jīng)濟落后和居民居住分散而造成的集中供水成本高的實際困難。


圖1為不同基質(zhì)活性炭對砷吸附效率的影響；
圖2為不同分散劑及比例對砷吸附效率的影響；
圖3為不同鐵鹽對砷吸附效率的影響；
圖4為活性炭不同粒徑對砷吸附效率的影響；
圖5為氯化鐵不同濃度對砷吸附效率的影響；
圖6為不同吸附劑的砷吸附效果對比。
圖7吸附劑間歇式吸附砷的動力學曲線。
圖8為本發(fā)明飲用水除砷裝置的剖面示意圖。
具體實施例方式
左側(cè)濾芯中納米吸附材料的制備
在室溫下，用所制的納米吸附材料進行間歇式除砷。把砷濃度為2000嗎/L的水樣過柱，砷的去除率高達99.5%以上，出水中的砷濃度小于10pg/L，達到了歐盟和美國新制定的砷含量標準。實施例1
選用材料為選擇不同基質(zhì)活性炭椰殼炭(孔體積為0.326cm3/g)、煤質(zhì)炭(孔體積為0.145cm3/g)、骨炭(孔體積為0.250cmVg);氯化鐵、硼氫化鉀、有機溶劑(常見)、單醇(C!-d。)、低碳多醇系列(CVCu))、聚乙二醇系列(200-40000)、無氧水、惰性氣體(常見)等。
具體步驟為
(1) 選取市售的椰殼炭(孔體積為0.326cmVg)、煤質(zhì)炭(孔體積為0.145cmVg)、骨炭(孔體積為0.250cmVg)等活性炭材料，用去離子水洗滌3次，然后超聲處理30min;
(2) 在室溫下，在裝有磁力攪拌器、活性炭、滴液漏斗的250ml的三口瓶中，加入0.15M的氯化鐵溶液30毫升(椰殼炭、煤質(zhì)炭、骨炭預先用氯化鐵浸泡60分鐘)，然后加入45毫升分散劑(乙醇、丙三醇、聚乙二醇4000的體積比例為1: 1: 0.5)。
(3) 在惰性氣體(流速40毫升/分鐘)保護下，按一定流速滴加硼氫化鉀溶液(滴定速度為1.5毫升/分鐘)，同時攪拌(轉(zhuǎn)數(shù)30/分鐘)。
(4) 反應(yīng)完畢后，再劇烈攪拌30分鐘。然后分別用無氧水15毫升和丙酮15毫升清洗。
(5) 在氮氣保護下進行干燥一定時間12小時，溫度為8(TC。
從圖1可以看出不同基質(zhì)的活性炭對砷吸附的效果有顯著區(qū)別，其中煤質(zhì)活性炭因具有合適的孔體積，納米鐵能夠在其表面和內(nèi)部進行負載
9而使其具有良好的砷吸附性能。 實施例2
選用材料為活性炭(由煤質(zhì)炭處理得到，孔體積為0.168cmVg)、硫 酸亞鐵、硼氫化鉀、有機溶劑(常見)、乙醇、丙三醇、聚乙二醇200、聚 乙二醇4000、無氧水、惰性氣體(常見)等。
具體步驟為
(1) 選取孔體積為0.168cmVg的市售煤質(zhì)活性碳，用去離子水洗滌3 次，然后超聲處理30min;;
(2) 在室溫下，在裝有磁力攪拌器、活性炭、滴液漏斗的250ml的三 口瓶中，加入0.2M的硫酸亞鐵溶液30毫升(煤質(zhì)炭預先用硫酸亞鐵浸泡60 分鐘)，然后加入45毫升分散劑(乙醇、丙三醇、聚乙二醇200和4000的
比例l為l: h 1、比例2為2: 2: 0.5、比例3為2: 1: 0.1)。
(3) 在惰性氣體(流速60毫升/分鐘)保護下，按一定流速滴加硼氫 化鉀溶液(滴定速度為2.0毫升/分鐘)，同時攪拌(轉(zhuǎn)數(shù)50/分鐘)。
(4) 反應(yīng)完畢后，再劇烈攪拌90分鐘。然后分別用無氧水20毫升和 有機溶劑200毫升清洗。(4)在氮氣保護下進行干燥一定時間18小時， 溫度為100 °C。
本發(fā)明所用分散劑是非離子表面活性劑，其分散機理可概括為高靜電 效應(yīng)和空間位阻效應(yīng)。分散劑加入量太少，不但顆粒間的靜電斥力不夠強， 而且也不能徹底遮蔽顆粒間的非架橋羥基和吸附水，無法達到良好的分散 效果；分散劑加入量過大，沒有明顯改善分散效果，并且有使顆粒粗大的 趨勢，且過多的分散劑也將提高產(chǎn)品的成本。另外，分散劑分子鏈長短受 其分子量影響。聚乙二醇4000的分子鏈較長，所以如果其濃度較大，長分 子鏈相互纏繞形成環(huán)形，會影響納米鐵顆粒的生長方向和形貌從而影響其 粒徑大小。充分考慮到分散劑分子鏈長短對納米鐵粒徑大小的影響，本研 究采用單醇(分子鏈較短)、聚乙二醇400、聚乙二醇40000 (分子鏈較長)，
并優(yōu)化出其最佳配合比，保證所制備的納米鐵粒徑大小合適。
從附圖2可以看出不同比例的分散劑對砷吸附的效果有顯著區(qū)別，
適當比例的分散劑其中煤質(zhì)活性炭因具有合適的孔體積，納米鐵能夠在其
表面和內(nèi)部進行負載而使其具有良好的砷吸附性能。 實施例3
選用材料為活性炭(由煤質(zhì)炭處理得到，孔體積為0.214cmVg)、鐵 鹽(氯化鐵、硫酸亞鐵、硫酸鐵)、硼氫化鉀、有機溶劑(常見)、乙醇、 丙三醇、聚乙二醇系列200、無氧水、惰性氣體(常見)等。
具體步驟為
(1) 選取孔體積為0.214cmVg市售煤質(zhì)活性炭，用去離子水洗滌3次， 然后超聲處理30min;;
(2) 在室溫下，在裝有磁力攪拌器、活性炭、滴液漏斗的250ml的三
10口瓶中，分別加入0.1M的氯化鐵、硫酸鐵、硫酸亞鐵溶液30毫升(煤質(zhì)炭 預先用鐵鹽浸泡60分鐘)，然后加入60毫升分散劑(乙醇、丙三醇、聚乙
二醇4000比例2: 1: 0.1)。
(3) 在氮氣(流速60毫升/分鐘)保護下，按一定流速滴加硼氫化鉀 溶液(滴定速度為1毫升/分鐘)，同時攪拌(轉(zhuǎn)數(shù)30/分鐘)。
(4) 反應(yīng)完畢后，再劇烈攪拌30分鐘。然后分別用無氧水10毫升和 有機溶劑10毫升清洗。
(5) 在氮氣保護下溫度為11(TC進行干燥24小時。
從附圖3可以看出采用不同種類的鐵鹽作為鐵源，對所制吸附劑的 性能有顯著影響，其中以硫酸亞鐵為鐵源時所制吸附劑的除砷性能效果最 好。
實施例4
選用材料為活性炭(由煤質(zhì)炭處理得到，孔體積為O.lOOcmVg)的粒 徑分別為10-20目、20-40目、40-60目、60-100目，硫酸鐵、硼氫化鉀、 有機溶劑(常見)、乙醇、丙三醇、聚乙二醇系列2000、無氧水、惰性氣 體(常見)等。
具體步驟為
(1) 選取孔體積為O.lOOcmVg市售煤質(zhì)活性炭，用去離子水洗滌3次， 然后超聲處理30min;;
(2) 在室溫下，在裝有0.1M的硫酸鐵溶液30毫升、磁力攪拌器、活 性炭、滴液漏斗的250ml的三口瓶中，分別加入10-20目、20-40目、40-60 目、60-100目的活性炭(煤質(zhì)炭預先用鐵鹽浸泡60分鐘)，然后加入60毫 升分散劑(乙醇、丙三醇、聚乙二醇4000比例2: 2: 1)。
(3) 在氮氣(流速90毫升/分鐘)保護下，按一定流速滴加硼氫化鉀 溶液(滴定速度為2.5毫升/分鐘)，同時攪拌(轉(zhuǎn)數(shù)45/分鐘)。
(4) 反應(yīng)完畢后，再劇烈攪拌25分鐘。然后分別用無氧水10毫升和 有機溶劑10毫升清洗。
(5) 在氮氣保護下進行干燥一定時間18小時，溫度為9(TC。 活性炭的總質(zhì)量一定時，其粒徑越小，比表面積就越大，則其表面所
能負載的納米鐵越多，砷吸附的效果也就越好。附圖4也說明了這一點。 但粒徑太小，影響其制備的回收率和工程應(yīng)用價值。兼顧到實際應(yīng)用和吸 附效果的最佳結(jié)合，本研究采用了 40-60目的活性炭。 實施例5
選用材料為氯化鐵的濃度分別為O.IM、 0.3M、 0.6M，硼氫化鉀、 有機溶劑(常見)、乙醇、丙三醇、聚乙二醇系列9000、無氧水、惰性氣 體(常見)等。
具體步驟為
(1)選取孔體積為O.lOOcmVg市售煤質(zhì)活性炭，用去離子水洗滌3次，然后超聲處理30min;;
(2) 在室溫下，在裝有磁力攪拌器、10-20目活性炭、滴液漏斗的250ml 的三口瓶中，分別加入0.1M、 0.3M、 0.6M的硫酸鐵(煤質(zhì)炭預先用鐵鹽浸 泡60分鐘)，然后加入60毫升分散劑(乙醇、丙三醇、聚乙二醇4000比例 2: 1: 1.2)。
(3) 在氮氣(流速75毫升/分鐘)保護下，按一定流速滴加硼氫化鉀 溶液(滴定速度為0.5毫升/分鐘)，同時劇烈攪拌(轉(zhuǎn)數(shù)60/分鐘)。
(4) 反應(yīng)完畢后，再攪拌75分鐘。然后分別用無氧水10毫升和有機 溶劑10毫升清洗。
(5) 在氮氣保護下進行干燥一定時間18小時，溫度為9(TC。 從附圖5可以看出采用不同濃度的鐵鹽作為鐵源，對所制吸附劑的
性能有顯著影響，其中以0.3M的氯化鐵為鐵源時所制吸附劑的除砷性能效 果最好。
實施例6
選用材料為硫酸鐵的濃度為0.025M、硼氫化鉀、有機溶劑(常見)、 乙醇、丙三醇、聚乙二醇系列9000、無氧水、惰性氣體(常見)、普通鐵 粉、活性炭等。
具體步驟為
(1) 選取孔體積為0.214cm3/g市售煤質(zhì)活性炭，用去離子水洗滌3 次，然后超聲處理30min;;
(2) 在室溫下，在裝有磁力攪拌器、10-20目活性炭、滴液漏斗的250ml 的三口瓶中，加入0.025M的硫酸鐵(煤質(zhì)炭預先用鐵鹽浸泡60分鐘)，然 后加入60毫升分散劑(乙醇、丙三醇、聚乙二醇4000比例1: 2: 0.5)。
(3) 在氮氣(流速50毫升/分鐘)保護下，按一定流速滴加硼氫化鉀 溶液(滴定速度為1.5毫升/分鐘)，同時攪拌(轉(zhuǎn)數(shù)50/分鐘)。
(4) 反應(yīng)完畢后，再劇烈攪拌75分鐘。然后分別用無氧水10毫升和 有機溶劑10毫升清洗。(4)在氮氣保護下進行干燥一定時間18小時，溫 度為90。C。
單質(zhì)鐵在水中發(fā)生一系列的化學反應(yīng)，其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物為二價鐵、三價鐵
的氧化物和氫氧化物，上述化合物對砷均有一定程度的吸附作用(國外已
有運用單質(zhì)鐵粉進行含砷飲用水處理成功的工程實例)。從附圖6可以看
出所研制的納米吸附劑的除砷效果明顯好于普通單質(zhì)鐵粉以及常用吸附
劑活性炭。故本試驗研制的納米吸附劑具有較好的應(yīng)用前景P 實施例7
本實驗所用溶液的砷濃度為2000jig七"，搖床轉(zhuǎn)速120轉(zhuǎn)/分，反應(yīng)溫 度為室溫，吸附劑粒徑為20-40目，總反應(yīng)時間為72h。
12從圖7中可以看出，該吸附劑的砷吸附速率快，吸附容量大，不僅完 全能夠勝任我國臺灣、新疆和內(nèi)蒙古等地區(qū)地下水砷含量嚴重超標的(砷
含量最高可達2000嗎丄")的除砷任務(wù)，而且可以有效地去除有機污染物。 實施例8
一種飲用水除砷裝置，包括密閉的中空筒體，所述筒體的上部設(shè)置有 排水口，在筒體的下部設(shè)置有進水口；在筒體的內(nèi)部豎向并列設(shè)置有兩個 圓筒狀濾芯；
濾床A內(nèi)沿徑向方向鋪設(shè)有3層無紡布層(50克/平方米)；濾床B 內(nèi)填充有顆?；钚蕴?20目)；濾床C內(nèi)裝填有市售的粉末燒結(jié)塊狀活性炭; 濾床D內(nèi)沿徑向方向鋪設(shè)有3層微濾膜，膜的孔徑大約0.006|im ，操作壓 力為0.5Mpa左右；
左側(cè)濾芯的底部設(shè)置有進水口，頂部與筒體的排水口相連通；在左側(cè) 濾芯內(nèi)部填充有負載型飲用水除砷納米吸附劑(20目)。
在室溫下，用上述實施例l-6方法所制的納米吸附材料填充左側(cè)濾芯。 把砷濃度為2000pg/L的水樣間歇式除砷，砷的去除率高達99.5%以上，出 水中的砷濃度〈10(ig/L，達到了歐盟和美國新制定的砷衛(wèi)生標準。
本發(fā)明裝置右側(cè)的濾芯中的凈水裝置能夠完成凈水工序；左側(cè)的濾芯 對來自右側(cè)的濾芯的水進一歩進行除砷處理，可達到飲用水的質(zhì)量標準。 該裝置除砷效率高，成本較低，安裝、移動方便，適用于高砷水源地區(qū)的 廣大居民用戶。
1權(quán)利要求
1. 一種飲用水除砷裝置，包括密閉的中空筒體(1)，其特征在于所述筒體(1)的上部設(shè)置有排水口(4)，在筒體(1)的下部設(shè)置有進水口(3)；在筒體(1)的內(nèi)部豎向并列設(shè)置有兩個圓筒狀濾芯；右側(cè)濾芯的底部與筒體(1)的進水口(3)相連通，頂部設(shè)置有出水口(5)；右側(cè)濾芯的中上部、中部、中下部分別徑向設(shè)置有可拆卸的、帶有小孔的支撐板(2)，三塊支撐板(2)將右側(cè)濾芯內(nèi)的空腔分隔分為四個部分，從下至上依次為濾床A、B、C、D；濾床A內(nèi)沿徑向方向鋪設(shè)有2層或2層以上的無紡布層；濾床B內(nèi)填充有顆粒活性炭、天然沸石和/或麥飯石；濾床C內(nèi)裝填有市售的粉末燒結(jié)塊狀活性炭；濾床D內(nèi)沿徑向方向鋪設(shè)有2層或2層以上的微濾膜，膜的孔徑大約0.002～0.1μm，截留分子量大500-500000，其操作壓力在0.07-0.7Mpa左右；左側(cè)濾芯的底部設(shè)置有進水口(6)，頂部與筒體(1)的排水口(4)相連通；在左側(cè)濾芯內(nèi)部填充有負載型飲用水除砷納米吸附劑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述除砷裝置，其特征在于在所述濾床A中的 無紡布層和濾床D內(nèi)的微濾膜間均分別設(shè)置有塑料篩網(wǎng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述除砷裝置，其特征在于在所述濾床B和濾 床C內(nèi)部設(shè)置有豎向的水流擋板。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述除砷裝置，其特征在于所述左側(cè)濾芯的進水 口 (6)與右側(cè)濾芯的出水口 (5)間設(shè)置有連接軟管。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述除砷裝置，其特征在于所述顆?；钚蕴?、天然沸石和/或麥飯石的粒徑為10-100目；所述負載型飲用水除砷納米吸附劑的粒徑為1-100目。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述除砷裝置，其特征在于在濾床B與濾床C 及濾床C與濾床D間支撐板(2)的下方分別設(shè)置有1-4層的普通醫(yī)用紗布； 支撐板(2)上的小孔為圓形或方形，孔徑為l-10mm，小孔的分布為1-10 個/cm2。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述除砷裝置，其特征在于所述右側(cè)濾芯和左側(cè) 濾芯的內(nèi)壁上均分別設(shè)置有磁性材料層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述除砷裝置，其特征在于所述負載型飲用水除砷納米吸附劑，可按如下步驟制備獲得，① 選取孔體積為0.100-0.500 cmVg的市售活性炭，先用可溶性鐵鹽溶 液浸泡活性炭10-120分鐘，可溶性鐵鹽溶液與活性炭的體積比為5:1-20:1;② 在鐵鹽溶液中加入醇溶液作為分散劑；分散劑與可溶性鐵鹽溶液的 體積比為0.5:1-5:1;③在室溫惰性氣體保護下，用濃度0.01-0.28M的強還原劑硼氫化鉀或 硼氫化鈉滴定鐵鹽，為保證鐵鹽被充分還原，強還原劑物質(zhì)的量是鐵鹽物 質(zhì)的量的3-10倍，滴定速度為0.1-5毫升/分鐘，惰性氣體保護，攪拌； 硼氫化鉀或硼氫化鈉溶液滴定完畢后，繼續(xù)攪拌10-120分鐘； ⑤攪拌完畢后，離心5-20分鐘，轉(zhuǎn)速為400-4000轉(zhuǎn)/分鐘；先用無氧 水洗漆1-3次，再用有機溶劑洗滌1-3次，40-100。C下真空干燥12-48h得產(chǎn)o 叩/所述活性炭材料的基質(zhì)來源可為煤質(zhì)、果殼或木質(zhì)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述除砷裝置，其特征在于所述醇溶液為C1-C6 一元醇、C2-C8的低碳2-4元醇和/或分子量200-40000聚乙二醇；所述可溶 性鐵鹽溶液為硫酸鐵0.01-0.038 M、硫酸亞鐵0.01-0.07 M、氯化鐵0.1-0.56 M或氯化亞鐵0.01-0.8 M。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述除砷裝置，其特征在于所述所述步驟④中 惰性氣體的流速10-200毫升/分鐘，攪拌轉(zhuǎn)數(shù)10-1000/分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及飲用水水中砷的去除，具體地說是一種飲用水除砷裝置，包括密閉的中空筒體，所述筒體的上部設(shè)置有排水口，在筒體的下部設(shè)置有進水口；在筒體的內(nèi)部豎向并列設(shè)置有兩個圓筒狀濾芯；右側(cè)濾芯的底部與筒體的進水口相連通，頂部設(shè)置有出水口；右側(cè)濾芯的中上部、中部、中下部分別徑向設(shè)置有可拆卸的、帶有小孔的支撐板，三塊支撐板將右側(cè)濾芯內(nèi)的空腔分隔分為四個部分，從下至上依次為濾床A、B、C、D；左側(cè)濾芯的底部設(shè)置有進水口，頂部與筒體的排水口相連通；在左側(cè)濾芯內(nèi)部填充有負載型飲用水除砷納米吸附劑；本發(fā)明適用范圍廣、能夠把飲用水中的砷降低到安全標準，適合分散城鎮(zhèn)及居民的飲水需求。
文檔編號C02F1/58GK101486506SQ200810010160
公開日2009年7月22日 申請日期2008年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月18日
發(fā)明者朱慧杰, 賈永鋒 申請人:中國科學院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所