专利名称：组合电絮凝除氟工艺及其应用的制作方法
技术领域：
本发明属于水处理领域中的地下水除氟技术领域，具体来说，就是一种组合电絮凝 除氟工艺及其应用。
背景技术：
地下水除氟一直是饮用水除氟研究中的热点问题。无论是化学混凝还是电化学混凝， 除氟效率均与溶液的pH、碱度、共存离子及其他特性有关。化学混凝和电化学混凝在 pH为5.5~6.5时除氟效率最高。实际操作中一般通过加酸或加碱并同时监测体系pH的 方式实现对pH的控制。含氟水的pH在此范围内对酸碱的投加比较敏感，而且F—与Al3+ 络合或被氢氧化铝吸附后会释放出OH—而导致最终出水pH发生变化。因此，在实际操 作过程中控制体系pH是非常困难的。加酸或加碱过量的情况会经常发生。
对于天然水中的除氟过程，通常采用加酸的方法，将pH调至5.5 6.5。采用铝盐混 凝剂代替普通的酸，也可达到控制pH的目的。对于初始OH—和F—浓度一定的原水，可 以通过改变铝盐混凝剂中存在的和电解产生的A产之间的比例，来达到一定的总铝投加 量(^产]r)并控制体系pH。这种方法实际上是化学混凝和电混凝的组合，即组合电絮凝。 Can等(Can, Kobya et al. 2006)曾采用聚合氯化铝和电絮凝的组合工艺去除纺织废水中的 COD。他们在固定电絮凝投加A产数量的前提下，通过改变聚合氯化铝的投加量寻求最 佳处理效果。聚合氯化铝是预水解聚合的铝混凝剂，具有一定的碱化度，其碱化度一般 大于2甚至接近3。因此聚合氯化铝在组合电絮凝除氟工艺中调节pH的能力较弱，而 传统铝盐絮凝剂如AlCl3是较好的选择。
目前尚没有组合电絮凝除氟工艺的相关报道。高含氟地下水一般具有较高浓度的重 碳酸盐碱度，其水质特征与以OH—为初始碱度的含氟水存在着明显的区别。采用组合电 絮凝工艺处理这种含氟水时，如何方便地操作以及如何达到最高除氟率是目前研究需要 解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足之处，而提供了组合电絮凝除氟工艺 及其应用。本发明的目的是通过如下措施来实现组合电絮凝除氟工艺，对于不同碱度的含氟 水，控制2"^。,, ^+^=3来达到最高的除氟率，但需要对方程进行矫正；
当原水中只有OH—碱度时，直接控制A歸鄉+f3.0可使组合电絮凝达到最高的除氟 效率； 当原水中存在HCO/碱度时，需要对HC03—的浓度进行矫正，才能
使组合电絮凝的最佳除氟条件为^歸 ^=3.0，实验得出HCCV碱度的矫正系数为
0.6;
工艺步骤为
(1) 、对含氟水进行水质分析，测定初始的F—、碱度和酸度含量；
(2) 、根据预定的M产]7"和^歸,，可根据以下公式计算出
^;
y 1 +y—[朋-]。+[朋丄.+[厂]。-[#+]0 m
Z Alkalinity+ F — A Alkalinity卞,F一 1 、"
L』/ j厂
G )、电化学A产投加量[J产:Uc和化学A产投加量M产]cr，根据下面的公式得出￡C=|x,-〗￡C (2)cc=M/3+]r-M/3+]K: (3) (4)、 M^+kc与电解过程中的操作参数有关；在其他参数恒定的情况下，电化学 Al3+
投加可通过控制电流强度来实现；
/ = ^f* (4) 式中/为电流强度A;Z为八1离子的荷电数2=3;尸为法拉第常数96486C/mol;
F为反应体积L; r为电解时间S; &为电流效率。
组合电絮凝除氟的应用，用于含氟地下水的深度除氟及其它含氟废水的深度除氟。
为了克服现有地下水除氟技术中需要调节pH值时加酸或加碱过量的麻烦，本发明提 出一种新的组合电絮凝除氟工艺及其操作优化。本发明工艺在控制pH值时不需要加酸
或加碱，同样能取得很好的除氟效果。
本发明工艺涉及到三个操作参数<formula>formula see original document page 4</formula><formula>formula see original document page 5</formula>
其中，^歸,为水中碱度与A严摩尔浓度的比值；外为水中初始F—摩尔浓度与Al3+
摩尔浓度的比值；:r虽a,崎+f为水中碱度和r摩尔浓度之和与A产摩尔浓度的比值；[<9/f]0
为水中初始OH—浓度；[O/f ]￡C为电解过程中产生的OH—浓度；[/T]o为水中初始H+浓
度；[F]o为初始F浓度；^产]r为投加的A产总量。
本发明原理:通过调整组合电絮凝过程中电解产生的A产和化学混凝剂投加的AlCl3
比例，来控制^&。/ ^^从而达到最高的除氟效率，省去了调节pH值的麻烦。
对于不同碱度类型的含氟水，当原水中只有0H—碱度时，控制7避。&^^ =3.0可使 组合电絮凝达到最高的除氟效率；当原水中存在HCCV碱度时，通过对HC03—的浓度进 行矫正，控制K^to^+zr =3.0使组合电絮凝达到最高除氟率(实验得出HC03—碱度的矫正 系数为0.6)。
组合电絮凝是指在固定A产投加量时，通过调整组合电絮凝过程中电解产生的
八13+和化学混凝剂投加的A1C13比例，控制2^/,一+"3来达到最高的除氟率
本发明工艺与现有技术相比具有如下优点在固定八13+投加量时，通过调整组
合电絮凝过程中电解产生的A产和化学混凝剂投加的A1C13比例，控制:r齒/崎+f3来达 到最高的除氟效果。避免了以往控制pH值时加酸或加碱过量的情况。组合电絮凝电能 消耗较少，不到电絮凝工艺的1/3，组合电絮凝工艺在保证高效除氟的同时，不仅降低 了电能和铝板消耗，而且保留了电絮凝电场作用方面的优点。
图1除氟率&在不同[V+],投加量条件下随^歸一w的变化
([F]0=10mg/L;[阔crOmg/L) 图2除氟率Sf在不同HC03邻度下随校正后r過。/,鄉+^—的变化
(条件[F]o=10mg/L， [J/3+]T = 1.2mM) 图3含氟地下水的除氟率sF随Kft。&^+印^的变化
(条件:[F]。-10mg/L， [A户+]7"-1.2mM)
具体实施例方式
下面列举3个实施实例，结合附图，对本发明加以进一步说明，但不限于此。
实施例i:验证原水中只存在OH—碱度时，直接控制:r威。fo^+F-3.o可使组合电絮凝达到实验用水为人工配制向去离子水中加入2.0mMNaCl和适量NaF，使得初始氟离 子含量为10mg/L。采用铝板(纯度为99.999%)为阳极，铜板作为阴极。电极的面积为 90mmx60mm，极板间距为10mm。实验用水为300mL，电解时间为10min。研究除氟 率分别在总铝浓度为0.4mM/L， 0.6mM/L， 1.0 mM/L， 1.6 mM/L, 2.0 mM/L时随K汰。/,v^+f 的变化。试验结果表明，对于每个A产投加量，当r膽。fo^+f (此例中，配水只含有OH— 碱度，因此r力fa^,^/r-row+f)接近3.0时组合电絮凝都能取得最高的除氟效率。具体实 验数据见图1。
实施例2:验证原水中存在HC(V碱度时，通过对HC(V的浓度进行矫正，控制r庸。^+, =3.0
使组合电絮凝达到最高除氟率(实验得出HC03—碱度的矫正系数为0.6)。 实验用水为人工配制向去离子水中加入2.0mMNaCl和适量NaF，使得初始氟离 子含量为10mg/L。采用铝板(纯度为99.999%)为阳极，铜板作为阴极。电极的面积为 90mmx60mm，年，极板间距为10mm。实验用水为300mL，电解时间为10min。总铝 浓度为1.2mM/L，研究HCO/浓度分别在1.0mM/L， 1.5mM/L， 2.0 mM/L， 2.5 mM/L， 3.0 mM/L时的除氟率。初始HC(V浓度在1.0~3.0mM范围内，通过对HC03—浓度进行 矫正后，组合电絮凝在K歸鄉+印w值3.0附近能够取得最优的除氟效果。具体实验数据 见图2。
实施例3:用实际地下水做实验验证，在对HC(V的浓度进行矫正之后，除氟率在 K歸鄉+f =3.0
时取得最大值。
原水取自北京大学地下水(pH=7.95)，通过电位滴定法，测得其碱度类型为重碳酸 盐型，初始HCCV浓度为2.362mM。通过oc矫正后，进行组合电絮凝除氟实验的设计。
采用铝板(纯度为99.999%)为阳极，铜板作为阴极。电极的面积为90mm x 60mm， 极板间距为10mm。实验用水为300mL，电解时间为10min。在总A产投加量为1.2mM/L 条件下，根据不同的r羞a^砂w值计算出应加入的AlCl3和电解过程中应保持的电流强度。 向实验用水中加入AlCl3后，釆用电磁搅拌器进行快速搅拌，使电絮凝反应器中溶液保 持均匀。同时开启稳压电源，在恒定的电流强度下进行电解。电解过程结束后测定水中 残余氟浓度并计算过程除氟率。实验结果表明对于实际含氟地下水的处理，在 ^歸 ^在3.0附近都能达到较好的除氟效果。具体实验数据见图3。
权利要求
1、组合电絮凝除氟工艺，其特征在于对于不同碱度的含氟水，控制γAlkalinity+F＝3来达到最高的除氟率，但需要对方程进行矫正；当原水中只有OH-碱度时，直接控制γAlkalinity+F＝3.0可使组合电絮凝达到最高的除氟效率；当原水中存在HCO3-碱度时，需要对HCO3-的浓度进行矫正，才能使组合电絮凝的最佳除氟条件为γAlkalinity+F＝3.0，实验得出HCO3-碱度的矫正系数为0.6；工艺步骤为(1)、对含氟水进行水质分析，测定初始的F-、碱度和酸度含量；(2)、根据预定的[Al3+]T和γAlkalinity+F，可根据以下公式计算出[OH-]EC；(3)、电化学Al3+投加量[Al3+]EC和化学Al3+投加量[Al3+]CC，根据下面的公式得出[Al3+]CC＝[Al3+]T-[Al3+]EC (3)(4)、[Al3+]EC与电解过程中的操作参数有关；在其他参数恒定的情况下，电化学Al3+投加可通过控制电流强度来实现；式中I为电流强度A；Z为Al离子的荷电数Z＝3；F为法拉第常数96486C/mol；V为反应体积L；T为电解时间s；εc为电流效率。
2、由权利要求1所述的组合电絮凝除氟的应用，用于含氟地下水的深度除氟及其它含氟废水的深度除氟。
全文摘要
本发明涉及组合电絮凝除氟工艺及其应用。本发明是化学混凝和电混凝的组合，即组合电絮凝。本发明对于不同碱度的含氟水，控制γ<sub>Alkalinity+F</sub>＝3来达到最高的除氟率，但需要对方程进行矫正，详细工艺见说明书。本发明的优点是组合电絮凝通过控制γ<sub>Alkalinity+F</sub>＝3来达到最高的除氟率，避免了以往控制pH值时加酸或加碱过量的情况，组合电絮凝电能消耗较少，不到电絮凝工艺的1/3，组合电絮凝工艺在保证高效除氟的同时，不仅降低了电能和铝板消耗，而且保留了电絮凝电场作用方面的优点，具有良好的应用前景。本发明组合电絮凝除氟的应用，用于含氟地下水的深度除氟及其它含氟废水的深度除氟。
文档编号C02F1/463GK101428879SQ20081024004
公开日2009年5月13日 申请日期2008年12月17日 优先权日2008年12月17日
发明者倪晋仁, 珺 朱, 伟 杨, 赵华章 申请人:北京大学