用于从水溶液中去除磷酸盐和其它污染物的组合物与方法
【专利说明】用于从水溶液中去除磷酸盐和其它污染物的组合物与方法
[0001] 相关申请的交叉参考
[0002] 要求2013年3月13日提交的美国临时申请号61，780, 267、2012年10月18日提 交的美国临时申请号61/715, 812以及2012年8月30日提交的美国临时申请号61/695, 201 的优先权，通过引用将其每个以其全文并入本文。
[0003] 发明技术领域
[0004] 本发明整体上涉及使用一种或多种包含多种硅酸钙晶态结构和非晶结构的晶态 组合物从水溶液中去除磷酸盐、硝酸盐和重金属的组合物与方法。
[0005] 发明背景
[0006] 由农业、雨水径流、污水处理排放和其它来源排放到环境中的磷、氮和重金属的日 益增加的累积是地球所面对的最显著的环境挑战之一。磷还用于肥料，并且考虑到磷酸盐 矿正在枯竭并可在接下来的100年内被完全耗尽，世界食品供应将肯定会受到影响。
[0007] 地表水中提高的磷含量导致富营养化，这对水生生物是有害的。为了控制富营养 化，EPA推荐总磷酸盐在水流中在其进入湖泊或水库的点处应不超过0. 05mg/L(按磷计）， 并且在未直接排放到湖泊或水库的水流中总磷量应不超过0. lmg/L。迄今为止，已经采用 絮凝/沉淀法实现了除磷，所述絮凝/沉淀法使用金属盐例如氯化铁、硫酸铝（明矾）和氢 氧化钙（石灰）。在许多情况下，这些方法需要使用聚合物来提高沉淀和最终的固体去除。 已经详述了利用天然存在与合成形式的硬硅钙石和/或雪硅钙石以去除磷的各种方法。这 些材料受限于溶液的PH，因为提高的pH导致碳酸氢根离子转化为碳酸根离子，从而降低了 去除的效率。另一种除磷方法是化学形成鸟粪石（六水合磷酸镁铵）。该方法需要引入镁 源（通常为氢氧化镁），并依赖于高氨含量作为铵源。
[0008] 由于在地表水和地下水中提高的含量导致饮用水供应中不需要的含量，硝酸盐也 受到关注。目前饮用水硝酸盐限制为按氮计l〇mg/L。最经常经由微生物脱氮来实现硝酸盐 去除。该方法要求在减少的氧环境中使细菌脱氮的可用性。该细菌代谢硝酸盐，导致还原 为亚硝酸盐并最终还原为氮气。
[0009] 金属离子排放到水源中会使得水不可饮用，并对水生生物具有不利影响。关于金 属的流水（in-stream water)品质标准以及国家饮用水标准非常低。最经常通过絮凝/沉 淀为金属氢氧化物将金属离子从水和废水中除去。这通常通过添加碱例如氢氧化钙或氢氧 化钠来实现。通常需要聚合物来提高絮凝并帮助固体去除。金属离子去除还可以通过使用 阳离子交换树脂来实现。该方法通常需要不含悬浮固体和油以及油脂的相对清洁的水源。 [0010] 因此，需要高度有效地从水溶液例如水和废水中去除磷酸盐、硝酸盐与金属离子 的组合物及其制造方法。尤其优选的是前述组合物能够提供对于有效去除磷酸盐所必需的 足够碱度，而无需额外的PH调节。考虑到关于本发明所考虑的水溶液具有不同的污染物状 况，甚至更优选的是可以以吸附各种阳离子和阴离子的方式操作前述组合物。
[0011] 还高度优选的是前述组合物对于用于从饮水源中去除污染物和用于食品加工应 用为安全的。还优选的是前述组合物可以以用作肥料的形式回收磷酸盐和硝酸盐。
[0012] 发明概述
[0013] 本发明涉及用于从水溶液中去除磷酸盐、硝酸盐和重金属的组合物与方法，其使 用一种或多种包含多种硅酸钙晶态结构和非晶结构的组合物。根据本发明的组合物从地表 水中去除磷酸盐和硝酸盐，并且在一些情况下可以产生高品质的缓释肥料（5-35-0)。
[0014] 本发明的一个目的在于提供用于从水溶液例如水和废水中高度有效去除磷酸盐、 硝酸盐和金属离子的组合物与方法。本发明的另一目的在于提供能够对于有效去除磷酸盐 提供所必需的足够碱度而无需额外调节PH的组合物。本发明的另一目的在于提供可以以 吸附各种阳离子和阴离子的方式操作的组合物。本发明的另一目的在于提供对于用于从饮 水源中去除污染物和用于食品加工应用为安全的组合物。本发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盐和硝酸盐的组合物。
[0015] 为应用本发明而考虑的水溶液包括农业径流、澄清池、动物养殖场径流、动物园径 流、溪流、湖泊、运河、水库、住宅与商业区雨水径流、废水处理厂排放、食品加工排放、工业 废水排放、住宅废水排放、肉类加工残余物、卫生间用水和水池用水。
[0016] 根据本发明的组合物可用于多种应用。在一个实施方案中，在为使用离心力加速 接触速率而设计的反应室中使组合物与含有磷酸盐、硝酸盐、重金属和/或其它污染物的 水溶液接触。在一个相关实施方案中，该反应器使用在层流条件下运行的泰勒涡流系统。
[0017] 在另一实施方案中，经由进入最终DAF或工艺流的干燥进料或浆料混合物使组合 物与含有磷酸盐、硝酸盐、重金属和/或其它污染物的水溶液接触（例如废水最终处理（市 政或食品加工机））。在另一实施方案中，经由AdEdge?过滤系统使组合物与含有磷酸盐、 硝酸盐、重金属和/或其它污染物的水溶液接触（例如高浓度营养物去除）。
[0018] 在另一实施方案中，经由分批注射器（portion injector)使组合物与含有磷酸 盐、硝酸盐、重金属和/或其它污染物的水溶液接触（例如用于小便池或马桶）。
[0019] 在另一实施方案中，经由干燥或浆料撒播或作物喷粉使组合物与含有磷酸盐、硝 酸盐、重金属和/或其它污染物的水溶液接触（例如在地面上或在地表水体上）。
[0020] 在另一实施方案中，经由埋藏的屏障使组合物与含有磷酸盐、硝酸盐、重金属和/ 或其它污染物的水溶液接触（例如埋在动物养殖场或动物园地表下或用于捕获水池滤液 以去除磷酸盐的包含该组合物的板材）。
[0021] 附图概述
[0022] 图1是根据本发明的第一组合物（组合物A)的磷吸附等温线。
[0023] 图2是根据本发明的第二组合物（组合物B)的磷吸附等温线。
[0024] 图3是比较组合物B与其它除磷方法的磷吸附等温线。
[0025] 图4是组合物B的硝酸盐吸附等温线。
[0026] 图5展示了组合物B对于各种重金属的亲合力。
[0027] 图6展示了与其它目前可用介质相比组合物B对于从水中去除砷的效率。
[0028] 图7是显示利用组合物B从获自磷采矿作业的地表水样品中去除磷的图。
[0029] 图8是组合物B的EDS谱。
[0030] 图9显示了组合物B的XRD谱。
[0031] 图10显示了可如何改变硅酸钙分子中原子的空间取向导致键长和或键角的改 变。
[0032] 图11显示了添加钙离子对于组合物B从溶液中去除磷的效率的影响。
[0033] 图12是根据本发明的第三组合物（组合物C)的磷吸附等温线。
[0034] 发明详述
[0035] 本发明涉及制备能够从溶液中去除磷酸盐、硝酸盐与重金属的组合物的方法，包 括：（a)形成包含氧化钙、二氧化硅、碱和溶剂的浆料；和（b)通过在用于形成该组合物的足 够压力下并且持续足够时间使该浆料经受水热过程，制备能够从溶液中去除磷酸盐、硝酸 盐与重金属的组合物。前述组合物可以互换地称为"水热残余物"。在一些实施方案中，该 方法包含额外步骤（C):在用于提高所得组合物在从溶液中去除磷酸盐、硝酸盐和/或重金 属方面的效率/效力的足够温度下并且持续足够时间来加热该组合物/水热残余物。
[0036] 在某些实施方案中，碱选自氢氧化按、氢氧化妈、氢氧化镁、氢氧化钾和氢氧化钠。 在一些实施方案中，碱可以是包含碱溶质和该溶剂的液体碱形式。在一些实施方案中，该溶 剂是水或包含水。在其它