一种氧化-吸附协同净水设备的制作方法

本发明涉及水质净化技术领域，尤其涉及一种氧化-吸附协同净水设备。

背景技术：

砷、铁、锰这三种元素广泛赋存于自然界各类岩石矿物中，并且这三者存在一定的共生关系。在特定的地质、地球化学、水文地质条件及人为因素的影响下，砷、铁、锰会从其赋存的矿物中释放进入到地下水中，形成高砷、高铁、高锰地下水。例如，当地下水中doc含量较高时，导致铁锰氧化物矿物发生异化还原，铁锰氧化物矿物还原生成了溶解态的fe²⁺和mn²⁺，吸附在铁锰氧化物矿物表面的砷随即被释放出来，导致形成强还原性的高砷、高铁、高锰地下水。

长期摄入高砷地下水易导致皮肤色素沉积，严重时可导致心脑血管疾病，甚至内脏器官癌变，如肺癌、肾癌、膀胱癌等。水中的铁和锰也会导致腹泻、记忆力减退等多种疾病。地下水作为主要的饮用水和工业用水水源，当含有高浓度砷、铁时，会大大降低其安全性，严重影响人们的身体健康及工农业生产。因此，针对高砷、高铁、高锰地下水开展修复与改良工作以保障供水安全及工农业生产显得尤为重要和迫切。

目前，针对水中砷的去除常见有吸附法、氧化与沉淀法、膜分离法、阴阳离子交换法等，对于家庭净水而言，采用吸附法是最为有效和经济的方法。但是在强还原性的水质条件下，水中砷大多以迁移性很强的as(ⅲ)的形式存在，降低了修复剂的除砷效率。因此，针对强还原性的高砷地下水，与其他氧化剂结合使用，能够更好的发挥吸附剂的净化效果。锰砂和溶解氧是广泛存在的天然的强氧化剂，两者协同作用能够去除地下水中铁、锰污染物，提高水的氧化还原电位，是较为理想的高铁、锰地下水处理材料。众多的吸附材料中，铁的氧化物对砷具有良好的吸附效果，如何制备比表面积大且性状均一的铁氧化物吸附剂是目前的研究热点。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种氧化-吸附协同净水设备，该设备以溶解氧和锰砂为氧化剂提高水体的氧化还原电位，去除水中铁、锰等有害物质；以粉末状无定形氧化铁和粉末状活性炭为吸附剂，进一步吸附去除水中砷、铁、锰有害物质。该设备能够用于净化处理强还原性的高砷、高铁、高锰原生劣质地下水，保障饮水安全。

本发明提供一种氧化-吸附协同净水设备，包括自吸式溶解氧捕获装置、粗滤装置和深度净化装置，所述自吸式溶解氧捕获装置包括依次连通的自吸泵、负压式空气吸入器和气水分离阀，所述气水分离阀、粗滤装置和深度净化装置依次连通，所述自吸泵将待处理的地下水泵入负压式空气吸入器，所述负压式空气吸入器的内部开设贯穿负压式空气吸入器的通孔，所述通孔包括通孔左部、通孔中部和通孔右部，所述通孔左部为右窄左宽的锥形结构，所述通孔右部为右宽左窄的锥形结构，所述通孔中部为圆柱形结构，所述通孔中部的直径等于通孔左部和通孔右部最窄处的直径，所述负压式空气吸入器的上端开设进气口，所述进气口与通孔中部连通，所述地下水从通孔右部流入通孔中部时，水流速度发生变化，所述通孔中部处产生负压，在压差的作用下，外界空气从进气口进入通孔中部，所述地下水中的溶解氧含量增加，所述气水分离阀用于排出地下水中多余的气体，所述粗滤装置用于去除地下水中的亚铁离子和锰离子，所述深度净化装置用于吸附地下水中残留的铁、锰污染物。

进一步地，所述通孔左部连通第二水管，所述气水分离阀垂直安装在第二水管的最高处，所述气水分离阀采用浮球单向阀，所述浮球单向阀的顶端设置排气口，所述浮球单向阀的底端设置阀门入口和阀门出口，所述浮球单向阀的内部设置浮球，所述浮球受到水的浮力后上浮堵住排气口。

进一步地，所述粗滤装置包括第一壳体，所述第一壳体的上端开设第一入口和第一出口，所述第一入口和阀门出口连通，所述第一壳体的内部填充粒径为1～3mm的天然锰砂。

进一步地，所述粗滤装置还包括第二壳体，所述第二壳体的上端开设第二入口和第二出口，所述第二入口和第一出口连通，所述第二壳体的内部填充孔径为1～5μm的pp纤维。

进一步地，所述深度净化装置包括第三壳体，所述第三壳体的上端开设第三入口和第三出口，所述第三入口和第二出口连通，所述第三壳体的内部填充柱状滤芯。

进一步地，所述柱状滤芯的制备过程为：

(1)将0.5～0.8mol/l的feso4·7h2o溶液放入反应瓶中，在搅拌状态下，将质量浓度为10～15％的氨水滴入硫酸亚铁溶液中，直至反应浆液ph值达到8～9并维持稳定，用滤纸过滤反应浆液得到沉淀物，将所得沉淀物用去离子水离心洗涤三次，将洗涤后得到的沉淀物放入乙醇中，用磁搅拌将其均匀分散，再离心收集，收集到的沉淀物在80℃下烘干2h，然后研磨筛选60～200目粉末状沉淀，即得到无定形铁氧化物吸附剂；

(2)筛选60～200目粉末活性炭，按照质量比为2:1:1的比例将粉末活性炭、无定形铁氧化物吸附剂和粉末状聚乙烯粘结剂混合均匀，倒入圆柱塑料模具内，用夹具从圆柱两端加压至2～2.5mpa压实，加压状态下放入烘箱180～200℃加热烧结1.5～2h，烧结完成后取出，冷却至室温，分切，即可得到柱状滤芯。

进一步地，所述进气口处连接进气管，所述进气管上设置单向阀，所述进气管的顶端设置空气过滤芯，所述空气过滤芯吸附空气中的灰尘。

本发明提供的氧化-吸附协同净水设备与常规净水设备相比，具有以下优点：

(1)本发明提供的设备巧妙的利用水流流经通孔中部时产生的负压，将空气吸入水流中以达到增加水中溶解氧的目的，不需要额外供气设备；而传统净水设备多以额外气源加压曝气向水中增加溶解氧，本设备与之相比设计更为简单，运行功耗更低；

(2)本发明提供的设备中的深度净化装置中铁氧化物吸附剂在制备过程中，经过了乙醇的再分散处理，得到无定形铁氧化物修复剂与传统铁氧化物具有比表面积更大，吸附容量更高的优势；

(3)本发明提供的设备为针对高砷、高铁、高锰地下水的小型化家用净水设备，结构设计简单、紧凑，使用材料均为常见、廉价滤料，成本较低，适宜农村地区安装使用。

附图说明

图1是本发明一种氧化-吸附协同净水设备的结构示意图。

图2是本发明一种氧化-吸附协同净水设备的负压式空气吸入器的结构示意图。

图3是本发明一种氧化-吸附协同净水设备实际使用时出水铁、锰浓度变化图。

图4是本发明一种氧化-吸附协同净水设备实际使用时出水砷浓度变化图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1和图2，本发明的实施例提供了一种氧化-吸附协同净水设备，包括自吸式溶解氧捕获装置、粗滤装置和深度净化装置。

自吸式溶解氧捕获装置包括自吸泵1、负压式空气吸入器2和气水分离阀，自吸泵1的抽水端连通地下水进水口，自吸泵1与负压式空气吸入器2之间设置直径为8～12mm的第一水管3，第一水管3的一端连通自吸泵1的出水端，负压式空气吸入器2的内部开设贯穿负压式空气吸入器2的通孔21，通孔21包括通孔左部211、通孔中部212和通孔右部213，通孔左部为211右窄左宽的锥形结构，通孔右部213为右宽左窄的锥形结构，通孔中部212为直径为2～3mm的圆柱形结构，通孔右部213与第一水管3的另一端连通，负压式空气吸入器2上开设直径为2～4mm的进气口22，进气口22位于通孔中部212的上方，进气口22处连接进气管23，进气管23上设置单向阀24，进气管23的顶端设置空气过滤芯25，空气过滤芯25为筒状的pp纤维滤芯，孔径为1μm，主要对进入水中的空气进行简单过滤，防止空气中灰尘等污染物进入水中；自吸泵1抽出的新鲜地下水由第一水管3输送至负压式空气吸入器2，低速流速的水流在流经通孔中部212时，水流速度突然增大，根据文丘里原理，将会在通孔中部212处产生负压，在压差的作用下，外界空气通过空气过滤芯25和单向阀24从进气口22进入通孔中部212，达到向厌氧地下水中增加溶解氧的目的。

由于空气中氧气在水中的溶解度很低，捕获溶解氧的地下水可能因为空气聚集形成大的气泡，导致空气在设备的管路和滤芯内积聚，影响设备正常运行，因此需要在管路中设置气水分离阀将从负压式空气吸入器2流出的水中的多余气体排出，通孔左部211连通直径为8～12mm的第二水管4，气水分离阀垂直安装在第二水管4的最高处，气水分离阀的设置高度比粗滤装置和深度净化装置的设置高度高，气水分离阀的设置高度低于负压式空气吸入器2的设置高度，本实施例中气水分离阀采用浮球单向阀5，浮球单向阀5的顶端设置排气口51，浮球单向阀5的底端设置阀门入口52和阀门出口53，浮球单向阀5的内部设置浮球54，当水流通过阀门入口52流入浮球单向阀5内部时，浮球54受水的浮力而上浮堵住排气口51，形成密闭空间；越来越多的气体因为密度小而在高处聚集，导致水位下降，浮球54脱离排气口51而排出气体；排出气体后水位回升，浮球54立即上浮堵住排气口51，循环往复达到气水分离的目的。

粗滤装置包括第一壳体6和第二壳体7，第一壳体6的上端开设第一入口61和第一出口62，第一入口61和阀门出口53通过直径为8～12mm的第三水管63连通，第一壳体6的内部填充粒径为1～3mm的天然锰砂64，总质量约1kg；第二壳体7的上端开设第二入口71和第二出口72，第二入口71和第一出口62通过直径为8～12mm的第四水管73连通，第二壳体7的内部填充孔径为1～5μm的pp纤维74，经过自吸式溶解氧捕获装置的地下水从浮球单向阀5的阀门出口53流出后，通过第一入口61流入第一壳体6的内部，地下水中的fe²⁺和mn²⁺在溶解氧和锰砂两种氧化剂的协同作用下被迅速氧化固结生成铁锰氢氧化物沉淀，从第一出口62流出的地下水继续通过第二入口71流入第二壳体7内，生成的细小铁锰氢氧化物沉淀被pp纤维74拦截下来，进一步去除水中铁、锰氧化物和其他颗粒杂质。

深度净化装置包括第三壳体8，第三壳体8的上端开设第三入口81和第三出口82，第三入口81和第二出口72通过直径为8～12mm的第五水管83连通，第三壳体8的内部填充柱状滤芯84，该柱状滤芯84由无定形铁氧化物吸附剂和粉末活性炭为原料，添加粘结剂烧结加工制备得到，具体制备步骤如下：

(1)将0.5～0.8mol/lfeso4·7h2o溶液放入反应瓶中，在搅拌状态下，将质量浓度为10～15％的氨水滴入亚铁溶液中，直至反应浆液ph值达到8～9并维持稳定，用滤纸过滤反应浆液得到沉淀物，将所得沉淀物用去离子水离心洗涤三次，将洗涤后的沉淀物放入乙醇中，用磁搅拌将其均匀分散，再离心收集，收集到的沉淀物在80℃下烘干2h，然后研磨筛选60～200目粉末状沉淀，即得到无定形铁氧化物吸附剂；

(2)筛选60～200目粉末活性炭，按照质量比为2:1:1的比例将粉末活性炭、无定形铁氧化物吸附剂和粉末状聚乙烯粘结剂混合均匀，倒入圆柱塑料模具内，用夹具从圆柱两端加压至2～2.5mpa压实，加压状态下放入烘箱180～200℃加热烧结1.5～2h，烧结完成后取出，冷却至室温，切取20cm滤芯长度即可得到所需柱状滤芯84。

经过上述工艺制备得到的柱状滤芯84相对于传统颗粒状滤料过滤有以下优势：一方面，该方法将粉末状无定形铁氧化物和活性炭固结在一起，避免了粉末状吸附剂在过滤过程中吸水固结成团导致滤芯堵塞和吸附剂随水流流失的难题；另一方面制备过程中的加压处理，使得滤料之间的孔隙得以压缩，吸附剂之间连接更紧密，空间利用率更高，滤芯吸附容量也进一步提升。

从第二出口72流出的地下水通过第三入口81流入第三壳体8内时，多孔的活性炭颗粒一方面提供水流通道，另一方面进一步吸附残留的铁、锰等污染物，改善地下水的口感；分布于活性炭颗粒之间的无定形铁氧化物有巨大比表面积，吸附去除水中的砷，最终使得从第三出口82流出的水质符合饮用水标准。

本实施例提供的氧化-吸附协同净水设备的使用方法为：将该设备安装于地下水水井旁或居民家内，接通电源后，自吸泵1将强还原性的高砷、高铁、高锰地下水泵入负压式空气吸入器2，由于通孔中部212处压力减小，外界空气通过空气过滤芯25和单向阀24进入通孔中部212内，原本溶解氧含量为0的地下水升高至溶解氧含量为5～7mg/l，含有气泡的水流继续流经浮球单向阀5，实现气水分离，排出多余的气体。

富含溶解氧的地下水从浮球单向阀5的阀门出口53流出，通过第一入口61流入第一壳体6的内部，地下水中的fe²⁺和mn²⁺在溶解氧和锰砂两种氧化剂的协同作用下被迅速氧化固结生成铁锰氢氧化物沉淀，从第一出口62流出的地下水继续通过第二入口71流入第二壳体7内，生成的细小铁锰氢氧化物沉淀被pp纤维74拦截下来，进一步去除水中铁、锰氧化物和其他颗粒杂质。

从第二出口72流出的地下水通过第三入口81流入第三壳体8内时，多孔的活性炭颗粒一方面提供水流通道，另一方面进一步吸附残留的铁、锰等污染物，改善地下水的口感；分布于活性炭颗粒之间的无定形铁氧化物有巨大比表面积，吸附去除水中的砷，最终使得从第三出口82流出的水质符合饮用水标准。

实际使用结果表明，地下水原水中砷、铁、锰浓度分别为550μg/l、25mg/l和2.3mg/l，经净水设备过滤后的地下水砷、铁、锰浓度分别为0～10μg/l、0～0.2mg/l和0～0.25mg/l，去除率分别为98.1％、99.2％和89.1％，效果良好，出水铁、锰浓度变化见图3，出水砷浓度变化见图4，粗滤装置和深度净化装置单次使用寿命达到200l以上。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。