用于從水溶液中去除磷酸鹽和其它污染物的組合物與方法
【專利說明】用于從水溶液中去除磷酸鹽和其它污染物的組合物與方法
[0001] 相關(guān)申請的交叉參考
[0002] 要求2013年3月13日提交的美國臨時申請?zhí)?1，780, 267、2012年10月18日提 交的美國臨時申請?zhí)?1/715, 812以及2012年8月30日提交的美國臨時申請?zhí)?1/695, 201 的優(yōu)先權(quán)，通過引用將其每個以其全文并入本文。
[0003] 發(fā)明技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明整體上涉及使用一種或多種包含多種硅酸鈣晶態(tài)結(jié)構(gòu)和非晶結(jié)構(gòu)的晶態(tài) 組合物從水溶液中去除磷酸鹽、硝酸鹽和重金屬的組合物與方法。
[0005] 發(fā)明背景
[0006] 由農(nóng)業(yè)、雨水徑流、污水處理排放和其它來源排放到環(huán)境中的磷、氮和重金屬的日 益增加的累積是地球所面對的最顯著的環(huán)境挑戰(zhàn)之一。磷還用于肥料，并且考慮到磷酸鹽 礦正在枯竭并可在接下來的100年內(nèi)被完全耗盡，世界食品供應(yīng)將肯定會受到影響。
[0007] 地表水中提高的磷含量導(dǎo)致富營養(yǎng)化，這對水生生物是有害的。為了控制富營養(yǎng) 化，EPA推薦總磷酸鹽在水流中在其進入湖泊或水庫的點處應(yīng)不超過0. 05mg/L(按磷計）， 并且在未直接排放到湖泊或水庫的水流中總磷量應(yīng)不超過0. lmg/L。迄今為止，已經(jīng)采用 絮凝/沉淀法實現(xiàn)了除磷，所述絮凝/沉淀法使用金屬鹽例如氯化鐵、硫酸鋁（明礬）和氫 氧化鈣（石灰）。在許多情況下，這些方法需要使用聚合物來提高沉淀和最終的固體去除。 已經(jīng)詳述了利用天然存在與合成形式的硬硅鈣石和/或雪硅鈣石以去除磷的各種方法。這 些材料受限于溶液的PH，因為提高的pH導(dǎo)致碳酸氫根離子轉(zhuǎn)化為碳酸根離子，從而降低了 去除的效率。另一種除磷方法是化學(xué)形成鳥糞石（六水合磷酸鎂銨）。該方法需要引入鎂 源（通常為氫氧化鎂），并依賴于高氨含量作為銨源。
[0008] 由于在地表水和地下水中提高的含量導(dǎo)致飲用水供應(yīng)中不需要的含量，硝酸鹽也 受到關(guān)注。目前飲用水硝酸鹽限制為按氮計l〇mg/L。最經(jīng)常經(jīng)由微生物脫氮來實現(xiàn)硝酸鹽 去除。該方法要求在減少的氧環(huán)境中使細(xì)菌脫氮的可用性。該細(xì)菌代謝硝酸鹽，導(dǎo)致還原 為亞硝酸鹽并最終還原為氮氣。
[0009] 金屬離子排放到水源中會使得水不可飲用，并對水生生物具有不利影響。關(guān)于金 屬的流水（in-stream water)品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以及國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)非常低。最經(jīng)常通過絮凝/沉 淀為金屬氫氧化物將金屬離子從水和廢水中除去。這通常通過添加堿例如氫氧化鈣或氫氧 化鈉來實現(xiàn)。通常需要聚合物來提高絮凝并幫助固體去除。金屬離子去除還可以通過使用 陽離子交換樹脂來實現(xiàn)。該方法通常需要不含懸浮固體和油以及油脂的相對清潔的水源。 [0010] 因此，需要高度有效地從水溶液例如水和廢水中去除磷酸鹽、硝酸鹽與金屬離子 的組合物及其制造方法。尤其優(yōu)選的是前述組合物能夠提供對于有效去除磷酸鹽所必需的 足夠堿度，而無需額外的PH調(diào)節(jié)?？紤]到關(guān)于本發(fā)明所考慮的水溶液具有不同的污染物狀 況，甚至更優(yōu)選的是可以以吸附各種陽離子和陰離子的方式操作前述組合物。
[0011] 還高度優(yōu)選的是前述組合物對于用于從飲水源中去除污染物和用于食品加工應(yīng) 用為安全的。還優(yōu)選的是前述組合物可以以用作肥料的形式回收磷酸鹽和硝酸鹽。
[0012] 發(fā)明概述
[0013] 本發(fā)明涉及用于從水溶液中去除磷酸鹽、硝酸鹽和重金屬的組合物與方法，其使 用一種或多種包含多種硅酸鈣晶態(tài)結(jié)構(gòu)和非晶結(jié)構(gòu)的組合物。根據(jù)本發(fā)明的組合物從地表 水中去除磷酸鹽和硝酸鹽，并且在一些情況下可以產(chǎn)生高品質(zhì)的緩釋肥料（5-35-0)。
[0014] 本發(fā)明的一個目的在于提供用于從水溶液例如水和廢水中高度有效去除磷酸鹽、 硝酸鹽和金屬離子的組合物與方法。本發(fā)明的另一目的在于提供能夠?qū)τ谟行コ姿猁} 提供所必需的足夠堿度而無需額外調(diào)節(jié)PH的組合物。本發(fā)明的另一目的在于提供可以以 吸附各種陽離子和陰離子的方式操作的組合物。本發(fā)明的另一目的在于提供對于用于從飲 水源中去除污染物和用于食品加工應(yīng)用為安全的組合物。本發(fā)明的另一目的在于提供可以 以可用作肥料的形式回收磷酸鹽和硝酸鹽的組合物。
[0015] 為應(yīng)用本發(fā)明而考慮的水溶液包括農(nóng)業(yè)徑流、澄清池、動物養(yǎng)殖場徑流、動物園徑 流、溪流、湖泊、運河、水庫、住宅與商業(yè)區(qū)雨水徑流、廢水處理廠排放、食品加工排放、工業(yè) 廢水排放、住宅廢水排放、肉類加工殘余物、衛(wèi)生間用水和水池用水。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的組合物可用于多種應(yīng)用。在一個實施方案中，在為使用離心力加速 接觸速率而設(shè)計的反應(yīng)室中使組合物與含有磷酸鹽、硝酸鹽、重金屬和/或其它污染物的 水溶液接觸。在一個相關(guān)實施方案中，該反應(yīng)器使用在層流條件下運行的泰勒渦流系統(tǒng)。
[0017] 在另一實施方案中，經(jīng)由進入最終DAF或工藝流的干燥進料或漿料混合物使組合 物與含有磷酸鹽、硝酸鹽、重金屬和/或其它污染物的水溶液接觸（例如廢水最終處理（市 政或食品加工機））。在另一實施方案中，經(jīng)由AdEdge?過濾系統(tǒng)使組合物與含有磷酸鹽、 硝酸鹽、重金屬和/或其它污染物的水溶液接觸（例如高濃度營養(yǎng)物去除）。
[0018] 在另一實施方案中，經(jīng)由分批注射器（portion injector)使組合物與含有磷酸 鹽、硝酸鹽、重金屬和/或其它污染物的水溶液接觸（例如用于小便池或馬桶）。
[0019] 在另一實施方案中，經(jīng)由干燥或漿料撒播或作物噴粉使組合物與含有磷酸鹽、硝 酸鹽、重金屬和/或其它污染物的水溶液接觸（例如在地面上或在地表水體上）。
[0020] 在另一實施方案中，經(jīng)由埋藏的屏障使組合物與含有磷酸鹽、硝酸鹽、重金屬和/ 或其它污染物的水溶液接觸（例如埋在動物養(yǎng)殖場或動物園地表下或用于捕獲水池濾液 以去除磷酸鹽的包含該組合物的板材）。
[0021] 附圖概述
[0022] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一組合物（組合物A)的磷吸附等溫線。
[0023] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的第二組合物（組合物B)的磷吸附等溫線。
[0024] 圖3是比較組合物B與其它除磷方法的磷吸附等溫線。
[0025] 圖4是組合物B的硝酸鹽吸附等溫線。
[0026] 圖5展示了組合物B對于各種重金屬的親合力。
[0027] 圖6展示了與其它目前可用介質(zhì)相比組合物B對于從水中去除砷的效率。
[0028] 圖7是顯示利用組合物B從獲自磷采礦作業(yè)的地表水樣品中去除磷的圖。
[0029] 圖8是組合物B的EDS譜。
[0030] 圖9顯示了組合物B的XRD譜。
[0031] 圖10顯示了可如何改變硅酸鈣分子中原子的空間取向?qū)е骆I長和或鍵角的改 變。
[0032] 圖11顯示了添加鈣離子對于組合物B從溶液中去除磷的效率的影響。
[0033] 圖12是根據(jù)本發(fā)明的第三組合物（組合物C)的磷吸附等溫線。
[0034] 發(fā)明詳述
[0035] 本發(fā)明涉及制備能夠從溶液中去除磷酸鹽、硝酸鹽與重金屬的組合物的方法，包 括：（a)形成包含氧化鈣、二氧化硅、堿和溶劑的漿料；和（b)通過在用于形成該組合物的足 夠壓力下并且持續(xù)足夠時間使該漿料經(jīng)受水熱過程，制備能夠從溶液中去除磷酸鹽、硝酸 鹽與重金屬的組合物。前述組合物可以互換地稱為"水熱殘余物"。在一些實施方案中，該 方法包含額外步驟（C):在用于提高所得組合物在從溶液中去除磷酸鹽、硝酸鹽和/或重金 屬方面的效率/效力的足夠溫度下并且持續(xù)足夠時間來加熱該組合物/水熱殘余物。
[0036] 在某些實施方案中，堿選自氫氧化按、氫氧化媽、氫氧化鎂、氫氧化鉀和氫氧化鈉。 在一些實施方案中，堿可以是包含堿溶質(zhì)和該溶劑的液體堿形式。在一些實施方案中，該溶 劑是水或包含水。在其它