专利名称：一种电化学强化多功能材料吸附除氟系统及方法
技术领域：
本发明涉及电化学除氟领域，具体涉及一种电化学强化多功能材料吸附除氟系统及方法。
背景技术：
我国的地下水资源出现众多高氟水分布区域，其原因与氟的特性以及水文地质条件等密切相关。饮用高氟水的不安全人口分布范围较广泛，其中多分布在供水水平，供水水量和水质都较落后的县镇和农村地区。水中氟化物含量超过1. Omg/L即为高氟水，长期饮用高氟水，会产生地方性氟中毒，包括氟斑牙和氟骨症等，直接威胁着人类的身体健康。在众多的除氟方法中，吸附法被认为是适用性较好的方法，但多数吸附剂除氟容量在很大程度上受限于原水的PH和氟含量，且处理后水质不稳定。此外，吸附法存在再生利用率低的问题，再生剂和运行费用偏高，不利于在县镇和农村地区推广应用。电吸附技术是源于20世纪90年代末的一项新型水处理技术，它通过将吸附剂极化以操纵界面电位，从而改变吸附剂材料吸附能力，是一种不涉及电子得失的非法拉第过程，因而是一个低能耗的吸附过程。该技术可以去除水中的大部分离子，包括氟离子，但对氟没有选择性吸附功能，因此以除氟为目的时，运行成本较高，并对整体水质有较大影响。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种电化学强化多功能材料吸附除氟系统及方法，提高吸附剂除氟容量、导电性和再生效率，降低能耗，简化操纵流程， 降低制水成本。为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为一种电化学强化多功能材料吸附除氟系统，由两组或两组以上的反应室连接而成，每组反应室包括多功能吸附材料4，多功能吸附材料4的一面与第一配电底板3的一面紧密结合，第一配电底板3的另一面通过第一隔板2与第一端板1连接，多功能吸附材料4 的另一面通过第二隔板5与第二配电底板6的一面连接，第二配电底板6的另一面通过第三隔板7和第二端板8连接，第一配电底板3、第二配电底板6分别与电源连接，第一配电底板3、第二配电底板6在上侧或下侧开有水流通道，第一配电底板3与第二配电底板6之间间距为1 10mm。所述的电源为直流稳压电源，每一组反应室第一配电底板3与第二配电底板6之间施加1. 0 4. OV电压。所述的多功能吸附材料4是将一种或两种以上的对氟离子具有选择吸附性的吸附剂材料负载在比表面积大的导电材料上制备而成，吸附剂材料采用铝盐吸附剂、铁盐吸附剂、稀土类吸附剂、生物吸附剂或其他类吸附剂负载中的一种或几种，负载的载体为活性炭纤维、活性炭、碳纳米管或炭气凝胶，负载的方式为液相浸渍法、气相浸渍法或离子交换法。
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所述的第一配电底板3和第二配电底板6采用铜板、铝板、不锈钢板、钛板、碳板或石墨板，其厚度为0. 5-3mm。所述的电化学强化多功能材料吸附除氟系统，当进行吸附过程时，结合多功能吸附材料4的第一配电底板3—端加正电；当进行再生过程时，加入硫酸铝、硫酸铁、盐酸或强碱活化液的同时，改变电流方向，即结合多功能吸附材料4的第一配电底板3—端加负电。一种电化学强化多功能材料吸附除氟方法，包括下列步骤1)、吸附过程，使作为饮用水源的高氟水进入电场强化多功能材料吸附除氟系统内，停留时间> 0. 5h，出水的氟离子浓度达到国家生活饮用水标准氟浓度< 1. Omg/L,同时去除水中的硬度离子，多功能吸附材料是将一种或两种以上的对氟离子具有选择吸附性的吸附剂材料负载在比表面积大的导电材料上制备而成，吸附剂材料采用铝盐吸附剂、铁盐吸附剂、稀土类吸附剂、生物吸附剂或其他类吸附剂，负载的载体为活性炭纤维、活性炭、碳纳米管、炭气凝胶或乙炔黑；2)、再生过程，当反应系统内多功能吸附材料饱和后，通过改变电流方向和加入活化液，使多功能复合材料的吸附能力恢复到80%以上，活化液为600-6000mg/l的硫酸铝、 350-3500mg/l的硫酸铁、pH = 1 2盐酸或pH = 10 13强碱溶液；3)、通过吸附过程和再生过程循环，转换电极极性，打破硬度离子的沉积条件，造成钙、镁的氢氧化物以及碳酸盐沉淀的不稳定状态，随水流流出，这样就保证了电极的性能长期稳定，从而确保出水水质。本发明与以往技术相比，采用电化学强化多功能材料吸附除氟方法，选用对氟具有选择吸附性及高的吸附容量的吸附剂负载在比表面积大，导电性良好的载体上，通过施加外电场，多功能吸附材料的饱和吸附量可达17 40mg/g ；吸附剂材料饱和后通过施加反向电场，多功能复合材料的吸附能力恢复到80% 95%以上，反洗再生液的用量减少 80% 90% ；正负电极的交替倒换，造成由电吸附过程副反应和过饱和析出的钙、镁的氢氧化物以及碳酸盐沉淀的不稳定状态，这样就保证了电极的性能的长期稳定性。
附图为本发明吸附除氟系统的一组反应室的示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的吸附除氟系统做详细描述。参照附图，一种电化学强化多功能材料吸附除氟系统，由两组或两组以上的反应室连接而成，每组反应室包括多功能吸附材料4，多功能吸附材料4的一面与第一配电底板 3的一面紧密结合，第一配电底板3的另一面通过第一隔板2与第一端板1连接，多功能吸附材料4的另一面通过第二隔板5与第二配电底板6的一面连接，第二配电底板6的另一面通过第三隔板7和第二端板8连接，第一配电底板3、第二配电底板6分别与电源连接，第一配电底板3、第二配电底板6在上侧或下侧开有水流通道，第一配电底板3与第二配电底板6之间间距为1 10mm。所述的电源为直流稳压电源，每一组反应室第一配电底板3与第二配电底板6之间施加1.0-4. OV电压。
所述的多功能吸附材料4具有良好导电性，对氟具有选择吸附性及较高的吸附容量，并可再生，多功能吸附材料是将一种或两种以上的对氟离子具有选择吸附性的吸附剂材料负载在比表面积较大的导电材料上制备而成，吸附剂材料采用铝盐吸附剂、铁盐吸附剂、稀土类吸附剂、生物吸附剂或其他类吸附剂负载中的一种或几种，负载的载体为活性炭纤维、活性炭、碳纳米管、炭气凝胶，负载的方式为液相浸渍法、气相浸渍法或离子交换法。所述的第一配电底板3、第二配电底板6采用具有良好导电性能的铜板、铝板、不锈钢板、钛板、碳板或石墨板，第一配电底板3、第二配电底板6厚度视所采用材料的强度和加工性而定，位于0. l-3mm之间。所述的电化学强化多功能材料吸附除氟系统，当进行吸附过程时，结合多功能吸附材料4的第一配电底板3—端加正电；当进行再生过程时，加入硫酸铝、硫酸铁、盐酸或强碱活化液的同时，改变电流方向，即结合多功能吸附材料4的第一配电底板3 —端加负电。本发明电化学强化多功能材料吸附除氟系统的工作原理为电化学强化除氟系统基于制备的多功能吸附材料4，在其上施加1. 0 4. OV电压， 以组合方式构建多级强化吸附单元，通过电化学效应及浓度效应，提高除氟的效果，并通过改进反应器的结构和运行参数，使之达到最佳除氟效果。如附图所示，多功能吸附材料4与第一配电底板3紧密接触，第一配电底板3与第二配电底板6之间加有一定厚度的第二隔板5，为了防止两个相邻电极发生短路，要求隔板具有绝缘性，第一配电底板3、第二配电底板6选用电化学稳定、强度好、重量较轻的导电材料，第一配电底板3、第二配电底板6上连接导电线，第一配电底板3、第二配电底板6在上侧或下侧，开有水流通道，便于多级串联运行。下面结合实施例对本发明的方法做详细描述。实施例1—种电化学强化多功能材料吸附除氟方法，包括下列步骤1)、吸附过程，使作为饮用水源的含氟量5mg/L高氟水进入电场强化多功能材料吸附除氟系统内，吸附剂材料尺寸为MX6cm，停留时间lh，流速0. 43m/h，出水的氟离子浓度为< 1. Omg/L,同时去除水中的硬度离子，多功能吸附材料采用将镧和铝两种吸附剂材料负载在活性炭纤维载体上，吸附除氟系统的配电底板采用Imm厚的钛电极板，极板间距为 4mm，两极板间施加1. 6V的直流电压，两组电化学反应室串联，处理1 后多功能吸附剂材料穿透，进行再生；2)、再生过程，当反应系统内多功能吸附材料饱和后，在电极板两端反向施加1. 6V 电压，同时加入Al2 (SO4) 3溶液300mL作为活化液，Al3+浓度200mg/L，进行循环再生Mh，使多功能复合材料的吸附能力恢复到90% ；3)、通过吸附过程和再生过程循环，转换电极极性，打破硬度离子的沉积条件，造成钙、镁的氢氧化物以及碳酸盐沉淀的不稳定状态，随水流流出，这样就保证了电极的性能长期稳定，从而确保出水水质。实施例2一种电化学强化多功能材料吸附除氟方法，包括下列步骤1)、吸附过程，使作为饮用水源的含氟量5mg/L高氟水进入电场强化多功能材料吸附除氟系统内，吸附剂材料尺寸为MX6cm，停留时间lh，流速0. 63m/h，出水的氟离子浓度为< 1. Omg/L,同时去除水中的硬度离子，多功能吸附材料采用将铁、铝、镧和铈吸附剂多种吸附剂材料负载在活性炭载体上，吸附除氟系统的配电底板采用2mm厚的石墨电极板， 极板间距为4mm，两极板间施加1. 6V的直流电压，三组电化学反应室串联，处理池后多功能吸附剂材料穿透，进行再生；2)、再生过程，当反应系统内多功能吸附材料饱和后，在电极板两端反向施加1. 6V 电压同时加入PH = 13的NaOH溶液300mL作为活化液，进行循环再生Mh，使多功能复合材料的吸附能力恢复到85% ；3)、通过吸附过程和再生过程循环，转换电极极性，打破硬度离子的沉积条件，造成钙、镁的氢氧化物以及碳酸盐沉淀的不稳定状态，随水流流出，这样就保证了电极的性能长期稳定，从而确保出水水质。实施例3—种电化学强化多功能材料吸附除氟方法，包括下列步骤1)、吸附过程，使作为饮用水源的含氟量5mg/L高氟水进入电场强化多功能材料吸附除氟系统内，吸附剂材料尺寸为MX6cm，停留时间0. 5h，流速1. 88m/h,出水的氟离子浓度为< 1. Omg/L,同时去除水中的硬度离子，多功能吸附材料采用将铝吸附剂材料负载在活性炭纤维载体上，吸附除氟系统的配电底板采用Imm厚的钛电极板，极板间距为4mm，两极板间施加2V的直流电压，三组电化学反应室串联，处理证后多功能吸附剂材料穿透，进行再生；2)、再生过程，在电极板两端反向施加1.6V电压同时，加入Al2(SO4)3活化液 300mL,Al离子浓度100mg/L，进行循环再生他，使多功能复合材料的吸附能力恢复到98%;3)、通过吸附过程和再生过程循环，转换电极极性，打破硬度离子的沉积条件，造成钙、镁的氢氧化物以及碳酸盐沉淀的不稳定状态，随水流流出，这样就保证了电极的性能长期稳定，从而确保出水水质。
权利要求
1.一种电化学强化多功能材料吸附除氟系统，其特征在于由两组或两组以上的反应室连接而成，每组反应室包括多功能吸附材料G)，多功能吸附材料的一面与第一配电底板(3)的一面紧密结合，第一配电底板(3)的另一面通过第一隔板O)与第一端板(1) 连接，多功能吸附材料(4)的另一面通过第二隔板( 与第二配电底板(6)的一面连接，第二配电底板(6)的另一面通过第三隔板(7)和第二端板(8)连接，第一配电底板(3)、第二配电底板(6)分别与电源连接，第一配电底板(3)、第二配电底板(6)在上侧或下侧开有水流通道，第一配电底板(3)与第二配电底板(6)之间间距为1 10mm。
2.根据权利要求1所述的一种电化学强化多功能材料吸附除氟系统，其特征在于所述的电源为直流稳压电源，每一组反应室第一配电底板⑶与第二配电底板(6)之间施加 1. 0-4. OV 电压。
3.根据权利要求1所述的一种电化学强化多功能材料吸附除氟系统，其特征在于所述的多功能吸附材料(4)是将一种或两种以上的对氟离子具有选择吸附性的吸附剂材料负载在比表面积大的导电材料上制备而成，吸附剂材料采用铝盐吸附剂、铁盐吸附剂、稀土类吸附剂、生物吸附剂或其他类吸附剂负载中的一种或几种，负载的载体为活性炭纤维、活性炭、碳纳米管、炭气凝胶，负载的方式为液相浸渍法、气相浸渍法或离子交换法。
4.根据权利要求1所述的一种电化学强化多功能材料吸附除氟系统，其特征在于所述的第一配电底板C3)和第二配电底板(6)采用铜板、铝板、不锈钢板、钛板、碳板或石墨板，其厚度为0. 5-3mm。
5.根据权利要求1所述的一种电化学强化多功能材料吸附除氟系统，其特征在于所述的电化学强化多功能材料吸附除氟系统，进行吸附过程时，结合多功能吸附材料的第一配电底板C3) —端加正电；进行再生过程时，加入硫酸铝、硫酸铁、盐酸或强碱活化液的同时，改变电流方向，即结合多功能吸附材料的第一配电底板(3) —端加负电。
6.根据权利要求1所述的一种电化学强化多功能材料吸附除氟系统的吸附除氟方法， 其特征在于包括下列步骤1)、吸附过程，使作为饮用水源的高氟水进入电场强化多功能材料吸附除氟系统内，停留时间> 0. 5h，出水的氟离子浓度达到国家生活饮用水标准氟浓度< 1. Omg/L,同时去除水中的硬度离子，多功能吸附材料是将一种或多种对氟离子具有选择吸附性的吸附剂材料负载在比表面积较大的导电材料上制备而成。吸附剂材料采用铝盐吸附剂、铁盐吸附剂、稀土类吸附剂、生物吸附剂或其他类吸附剂负载中的一种或几种，负载的载体为活性炭纤维、 活性炭、碳纳米管、炭气凝胶，负载的方式为液相浸渍法、气相浸渍法或离子交换法；2)、再生过程，当反应系统内多功能吸附材料饱和后，通过改变电流方向和加入活化液，使多功能复合材料的吸附能力恢复到80%以上，活化液为600-6000mg/l的硫酸铝、 350-3500mg/l的硫酸铁、pH = 1 2盐酸或pH = 10 13强碱溶液；3)、通过吸附过程和再生过程循环，转换电极极性，打破硬度离子的沉积条件，造成钙、 镁的氢氧化物以及碳酸盐沉淀的不稳定状态，随水流流出，这样就保证了电极的性能长期稳定，从而确保出水水质。
全文摘要
一种电化学强化多功能材料吸附除氟系统及方法，系统由多组反应室连接而成，每组反应室包括多功能吸附材料，多功能吸附材料的一面通过第一配电底板与第一端板连接，多功能吸附材料的另一面依次通过第二隔板、第二配电底板、第三隔板和第二端板连接，配电底板分别与电源连接，配电底板在上侧或下侧开有水流通道，第一配电底板与第二配电底板之间间距为1～10mm，方法是先进行吸附过程，然后是再生过程，通过吸附过程和再生过程循环，转换电极极性，确保出水水质，本发明提高了吸附剂除氟容量、导电性和再生效率，降低能耗，简化操纵流程，降低制水成本。
文档编号C02F1/58GK102358637SQ20111025373
公开日2012年2月22日 申请日期2011年8月30日 优先权日2011年8月30日
发明者张旭, 李广贺, 李泽唐, 杨硕, 胡欣琪 申请人:清华大学