专利名称：用于从水中除去亚砷酸盐和砷酸盐的系统和方法
技术领域：
本发明一般地涉及用于从水中除去亚砷酸盐和砷酸盐的系统和方法，更具体地，本发明涉及这样一种用于从水中除去亚砷酸盐和砷酸盐的系统和方法，其包括使砷污染的水与氧化铜(CuO)粒子反应预定的时间。
背景技术：
砷是自然界中存在的物质，其在地球中以多种化合状态存在。世界上许多地方已经报导了饮用水的砷污染。美国环境保护局(EPA)已经表示，饮用水中的砷会使人致癌，并且在目前允许的浓度下水中砷的量可能等于由吸烟所引起的量。
砷是5A族非金属，更普通的化合价为-3，0，+3和+5。亚砷酸盐(As+3)和砷酸盐(As+5)是饮用水和废水物流中最普通的存在形式。在某些砷影响的地区，由安全和容易利用的饮用水源替代现有的饮用水源是非常昂贵的。为了满足人饮用水、灌溉水、家畜和野生生物用水以及水生生物的最高污染物水平(MCL)，必须除去砷以达到安全限度。事实上，在这些情况下，砷的去除可能是更适当的供水方案。
因此，供水者需要一种经济的安全方法来从饮用水中除去砷。此外，从井中获取水的住户需要低成本、安全并且有效的砷去除系统的进入点或者使用点。
过去有一些除砷的方法，包括(1)在固定床接触器内在活化氧化铝上吸附；(2)在普通的水处理装置中使砷与含水的金属絮凝物配位，过去是铝和铁氢氧化物或者氢氧化合物；(3)通过膜技术例如反渗透从水中滤出金属；和(4)电动力学方法，例如电渗析。
令人遗憾地，最普通的去除砷的方法难以除去亚砷酸盐(As+3)。虽然某些技术在大规模城市供应上是相当成功的，但是它们对于住宅应用是不实际的，因为要求大的空间，需要使用危险化学品，需要经常监测，以及大的费用。事实上，这些方法的每一种都需要高度熟练的技术人员来进行日常使用和维护，这使得它们不适合在进入点用于住宅应用。
用于住宅水校正的两种最普通的技术一直是反渗透(RO)和活化氧化铝。活化氧化铝需要使用苛性的化学品，并且对于使用本发明可以达到的高流量需要非常大的体积。RO已被证明不是砷去除技术，因为其不能显著地减少亚砷酸盐(As+3)。
发明内容
本发明是从水中除去亚砷酸盐和砷酸盐的方法。所述方法包括使所述水与氧化铜(CuO)粒子反应预定的时间，然后过滤反应的水。
本发明还包括用于从水中除去亚砷酸盐和砷酸盐的系统。所述系统包含被砷污染的水，被加入污染的水中的氧化铜(CuO)粒子，用于过滤CuO/水的过滤器。
图1是说明按照本发明从污染的水中去除砷的过程的略图；图2是说明按照本发明构成的过滤装置设计的略图；和图3是说明按照本发明构成的过滤器设计的略图。
具体实施例方式
氧化铜的制备提出的方法使用廉价的固体粒子，并且从水中除去亚砷酸盐和砷酸盐。脱除动力学是迅速的，方法是简单的，并且该方法不产生有害的副产品。从水中将砷物质减少到低于EPA对人饮用水要求的十(10)微克/升。在对系统的pH进行调节(pH为6.0)和不进行调节(pH在7.5-8.5之间)下进行实验。
当氢氧化钠与氯化铜反应时，形成氢氧化铜。当将氢氧化铜在室温下放置一天时，其作为氧化铜沉淀出来。
将CuO过滤，干燥，然后研磨为细粉末。这种实验室制备的CuO被用于从水中除去砷。
标准样品的制备亚砷酸盐标准样品使用亚砷酸钠盐(NaAsO2)制备。
使用1000ppm的亚砷酸盐标准物制备1ppm，500ppb，250ppb，100ppb，和10ppb的亚砷酸盐标准样品。
使用砷酸钠盐(Na2AsO4)制备砷酸盐标准样品。
使用1000ppm的砷酸盐标准物制备1ppm，500ppb，250ppb，100ppb，和10ppb的砷酸盐标准样品。
硫酸钠盐(Na2SO4)被用于制备1,250ppm，1,000ppm，250ppm，和50ppm的硫酸盐标准样品。
实验制备砷标准溶液，并且在锥形烧瓶中使每批50ml的标准溶液与0.5克CuO反应。将锥形烧瓶固定在机械摇动器上，并且反应预定的时间。在反应之后，将溶液过滤，并且使用ICP质谱法分析砷。
结果1.亚砷酸盐与0.50克CuO粒子反应。
2.砷酸盐与0.25克CuO粒子反应。
3.五百(500)ppb的亚砷酸盐和不同浓度的硫酸盐与0.5克CuO粒子反应。
4.砷酸盐与0.5克CuO粒子反应。
5.五百(500)ppb的砷酸盐和不同浓度的硫酸盐与0.5克CuO粒子反应。
6.从四种不同的物流收集的水中掺料(spiked)的并且与0.5克CuO粒子反应的砷酸盐(125ppb)。
7.从四种不同的物流收集的水中掺料的并且与0.5克CuO粒子反应的亚砷酸盐(150ppb)。
以下在不进行pH调节的情况下从天然水中脱除砷的数据表明，利用本发明可以从水中除去砷。
在本发明中，已经发现了用于在自然条件下通过CuO粒子有效脱除砷物质的三种可能的机理1)对于在水中的CuO粒子的ZPC所处的pH与任何其他吸附剂相比处于较高的pH，因此这些粒子可以具有较高的砷物质的亲合性；2)亚砷酸盐和砷酸盐具有适当的原子尺寸，因此这些原子运动到CuO粒子的结构中；和/或3)在7-9的pH范围内，从CuO粒子溶解的Cu2+可能与亚砷酸盐配合，其进而被CuO粒子吸附。所述数据说明，CuO粒子可以在不同的条件下将水中的亚砷酸盐和砷酸盐两者降低到大大低于对人饮用水所要求的污染物极限，10微克/升。
本发明的方法是迅速的，并且不要求pH调节。水中的其他普通的离子不影响砷物质的脱除。此外，所述方法是简单的，有效的，和廉价的。此外，所述方法不产生有害的副产品。本发明的方法通过改善不发达国家和发达国家所依赖的饮用水的质量，能够解决不发达国家和发达国家所面临的严重的健康和环境问题。
结论1.砷酸盐和亚砷酸盐显示了强的对水中CuO的亲合性。
2.当使用0.5克CuO时，砷酸盐和亚砷酸盐可以在高硫酸盐浓度下从水中除去。
3.CuO有效地除去了从天然水掺料的砷酸盐和亚砷酸盐。
4.可以有效地使用CuO来从饮用水和/或污染的水中除去砷物质，而无需调节天然pH。
用于从自来水中除去亚砷酸盐和/或砷酸盐的系统，如图2中所示，包含用于将液体中的砷转化为As3和/或As5的氧化阶段。氧化铜接触室被配置在氧化阶段的下游，用于容纳氧化铜和用于混合氧化铜与包含As3和/或As5的液体。过滤器被配置在接触室的下游，用于从液体中除去一种或多种砷配合物。所述系统还可以包括活性炭室，用于容纳过滤的液体，和用于接收活性炭过滤的液体的混合床离子交换介质。
用于从水中除去亚砷酸盐和/或砷酸盐的处理和过滤器系统，如图3所示，包含氧化铜接触段，其用于氧化铜与包含在水流中的砷的反应，该反应产生亚砷酸盐和/或砷酸盐。活性炭过滤器被配置在氧化铜接触段的下游。混合床离子交换段被配置在活性炭过滤器的下游，并且其中氧化铜接触段，活性炭过滤器，和混合床离子交换段被放置在适合于连接到水源的壳体内。处理和过滤器系统的壳体是充分紧凑的，以使所述系统能够被固定到家庭水龙头的出口上。
以上在附图中解释和详细描述了本发明的示例性说明和优选实施方案的例证，教导了各种修正和可供选择的实施方案。虽然已经对本发明进行了展示，描述和说明，本领域技术人员应该理解的是，在不背离本发明的实际精神和范围下，可以对形式和细节作出等效改变，并且除了由现有技术排除的之外，本发明的范围仅仅由权利要求限制。此外，本文公开的本发明可以适合地在没有本文公开的特定要素存在的情况下实施。
权利要求
1.一种用于从液体中除去亚砷酸盐和砷酸盐的方法，所述方法包括使所述液体与氧化铜(CuO)粒子反应一预定时间；和过滤反应的液体。
2.权利要求1的方法，其中所述液体具有大约6.0的pH。
3.权利要求1的方法，其中所述液体具有在大约7.5到大约8.5之间的pH。
4.权利要求1的方法，其中CuO粒子通过包括以下步骤的方法生产使氢氧化钠与氯化铜反应；形成氢氧化铜；将氢氧化铜在室温下放置一预定时间；沉淀为氧化铜；和将CuO粒子过滤、干燥和研磨成细粉末。
5.权利要求1的方法，其中过滤的液体具有小于大约10微克/升的砷浓度。
6.权利要求1的方法，其中CuO粒子的量为大约0.5克。
7.一种用于从液体中除去亚砷酸盐和/或砷酸盐的系统，所述系统包括用于在液体中将砷转化为As3和/或As5的氧化级；氧化铜接触室，其被配置在氧化级的下游，用于容纳氧化铜和用于混合氧化铜与包含As3和/或As5的液体；和过滤器，其被配置在接触室的下游，用于从液体中除去一种或多种砷配合物。
8.权利要求7的系统，其中所述液体是自来水。
9.权利要求8的系统，其还包括用于接收过滤的液体的活性炭室。
10.权利要求9的系统，其还包括用于接收活性炭过滤的液体的混合床离子交换介质。
11.权利要求7的系统，其中水具有大约6.0的pH。
12.权利要求7的系统，其中水具有在大约7.5到大约8.5之间的pH。
13.权利要求7的系统，其中CuO粒子通过包括以下步骤的方法生产使氢氧化钠与氯化铜反应；形成氢氧化铜；将氢氧化铜在室温下放置大约一天；沉淀为氧化铜；和将CuO粒子过滤、干燥和研磨成细粉末。
14.权利要求7的系统，其中将混合水过滤到具有小于大约10微克/升砷浓度。
15.权利要求7的系统，其中CuO粒子的量为大约0.5克。
16.一种用于从水中除去亚砷酸盐和/或砷酸盐的处理和过滤器系统，其包括氧化铜接触段，其用于氧化铜与包含在水流中的砷的反应，该反应产生亚砷酸盐和/或砷酸盐；活性炭过滤器，其配置在氧化铜接触段的下游；和混合床离子交换段，其被配置在活性炭过滤器的下游，并且其中氧化铜接触段，活性炭过滤器，和混合床离子交换段被放置在适合于连接到水源的壳体内。
17.权利要求16的处理和过滤器系统，其中所述壳体是充分紧凑的，使得所述系统能够被固定到家庭水龙头的出口上。
全文摘要
提供了用于从水中除去亚砷酸盐和砷酸盐的方法。所述方法包括使所述水与氧化铜(CuO)粒子反应预定的时间，然后过滤反应的水。还提供了用于从液体中除去亚砷酸盐和砷酸盐的系统。
文档编号C02F1/72GK1882507SQ200480034274
公开日2006年12月20日 申请日期2004年9月17日 优先权日2003年9月19日
发明者K·J·雷迪 申请人:怀俄明州大学