专利名称：净化水的方法
技术领域：
本发明涉及净化水的方法。该方法用于净化水中的重金属和轻金属离子、放射性核素、硝酸盐、磷化合物、石油产品遗迹等。
已知的电凝净化污水法(B.M.MakapoB，IO.П.SenNyeHko N ⅡPypue."PaⅡNOHanbHoe Ncnonb30BaHue N OYNCTKa BONBI Ha MaⅢUHOCTPOCTPOUTeNbHbZX NpeⅢPURTURX"，MockBa，MaⅢuHOCTPOeHue，1988，C.159-170)是往含金属杂质的污水中加入氯化钠，然后在铁电极之间通电进行电解生成氢氧化铁吸附重金属杂质，凝结的沉淀物便从水中分离出来。
所述方法的特点是效率高，每分离1克杂质消耗铁10克左右，但这种方法只能除掉某些金属离子，如铬、镍，而其它大多数杂质(磷酸盐、硝酸盐、氯化物、铜、汞、铝化合物)不能从水中除掉。电解时使用的氯化钠又增加了水和沉淀物的污染。电凝法的特点是耗电量大，例如在净化含40克/米3铬(VI)化合物的污水时，耗电量为12千瓦·小时/米3。由于杂质对电极的钝化作用，水净化过程的稳定性受到破坏。
另一个已知的方法是澳大利亚用于净化饮用水的Sirofloc流程。("Water treatment using magnetite，astudy of a sirofloc pilot plant Gregory R.，Maloney R.J.，Stocklev M.，J，Inst.water and Environ.Manag.，1988，V.2，N5，pp.532-544)。在该流程中，用机械粉碎天然磁铁矿，制得高分散磁铁矿粉末作为吸附剂。重金属离子被吸附在磁铁矿颗粒上并填充在其晶格空位的空穴中。磁铁矿粉末与被净化的水接触时间约为3分钟。然后借助磁场将粉末从水中分离出来。上述方法的效果取决于所用吸附剂-磁铁矿的质量。磁铁粉可长期储存和任意距离运输，质量无实质性恶化。净化水的持续时间短。
但在实施上述流程时，需要纯度等级极高，且粒度极小(约1-10微米)的磁铁矿粉。这使得该方法复杂化并且昂贵。此外天然磁铁矿粉末不能净化掉水中所有有害杂质。粉碎的天然磁铁矿的吸附能力远远小于其理论值，因为只是那些被粉碎成粉末的磁铁矿暴露出的晶格空位和空穴参与水的净化。
已知的方法是从含20-40%(重量)FeCl3的氯化铁水溶液中除掉重金属(铬、铜、汞、砷、镉、铅)(JP.A，53-82696)。该方法在于用盐酸或硫酸将要净化的水溶液的PH值调至3左右，并加入干铁粉。搅抖后将沉淀物从净化后的氯化铁水溶液中滤除。
由于铁粉的吸附性低，水的净化程度并不高。例如，氯化铁水溶液净化前含18毫克/升的铬(VI)，净化后为6毫克/升。按所述方法需消耗大量铁粉(每升要净化的水溶液需400-600克铁粉)。
已知有净化水中重金属(镉、锌、铜、铅、汞、铁和砷)的方法(JP，A，52-45665)。在pH＝5-7时，向污水中加入吸附剂-干铁粉，搅拌所得混合物，并将固相沉淀物滤除。在粉末状铁和重金属离子之间发生吸收-共沉淀反应。
用这种方法清除水中上述金属的程度较高。
采用这种方法，不需要建造复杂的净化设施和使用生产粉末的设备。因为可使用工业生产的100-400目(25-150微米)粒度标准铁粉即可。但上述方法的特点是铁粉消耗量太大(每净化掉1克杂质，消耗铁60-300克)。
铁粉消耗量大将导致污水净化后残渣的体积和重量增加，这将加剧对周围环境的污染。此外，该方法的特点是生产效率低和过程持续时间长，因为搅拌时间不少于60分钟。该方法只能除去某些重金属离子，而能否从电镀产生的污水中除去更普遍存在的铬离子以及锡、硝酸盐、硫酸盐离子和石油产品目前尚无资料。
本发明的任务是研制一种借助选择一种铁基吸附剂来净化水的方法。
这种吸附剂在保持较高的水的净化程度和扩大分离杂质种类的条件下，可降低铁的消耗以及提高流程速度和生产效率。
这一任务是通过提出一种净化水的方法来解决。该方法包括在水中加入铁基吸附剂，搅拌并随后进行固相分离。按照本发明，使用黑色金属在水中电蚀分散法得到的悬浮液作为吸附剂，而且固相中磁铁矿含量不低于3(重量)%。
所提出的方法能-降低从要净化的水中除去每一单位杂质铁的消耗量，例如除去每一单位重金属的铁消耗量为3-26克/克。
-借助降低在净化每单位体积水所形成的残渣数量来减少残渣对周围环境的污染。
-借助提高净化流程的速度和缩短必须的搅拌时间至3-5分钟来提高水净化流程的生产效率。
-增加从水中除去有害杂质的种类，从而扩大了所提出方法可使用的范围。
本方法的上述优点由于用磁铁矿含量不低于3(重量)%的铁粉末水悬浮液作为吸附剂而得以保证。这是因为黑色金属(铁，碳钢，生铁)在水中电蚀分散所取得的粉末颗粒具有特殊的金属结构，其特点是晶格空位密度大和化学活性高。众所周知，晶格空位能够成为吸附中心。这可能是提高所述吸附剂吸附活性的原因之一。应当指出，在电蚀分散过程中，钢和生铁中的碳和其它杂质被烧掉。
磁铁矿的存在也是提高粉末吸附活性的条件。磁铁矿由于电蚀分散获得的活性铁与水强烈的化学作用和伴随释放氢气的结果而形成的。这种新生成的磁铁矿无论与普通的铁，还是与普通的磁铁矿相比，都具有较高的吸附活性。悬浮液中磁铁矿含量低于3(重量)%，不能极大地保证提高水的净化速度。
悬浮液中铁粉末的较高吸附性也是粉末高分散性(0.1-10微米)所决定的。分散性的提高导致粉末比表面积增加和与水中杂质的反应速度加快。在已知方法(JP，A，52-45665)中所述这样高分散性(小于10微米)的干燥铁粉末不能用于净化水，因为它会在空气中迅速自然或氧化，从而转变成不吸附水中杂质的惰性赤铁矿。
为了保证水的最佳净化条件，最好向被净化的水中加悬浮液，其数量按干物质计每一克杂质加入干物质3-120克。上述范围的下限值3克/克等于悬浮液的吸附容量，而超过上限值120克/克则不能保证大大提高水的净化速度和程度。
为了提高净化过程的速度和生产效率，最好将悬浮液与被净化的水在20℃-70℃温度下进行搅拌，温度高于70℃将导致净化速度的降低。
建议将不少于50%(重量)的含铁、磁铁矿和被吸附的杂质的固相分离物在悬浮液加入阶段送入水中并在悬浮液的混合物中用作吸附剂，这样由于提高了悬浮液的利用效率，可有效地利用悬浮液。
在悬浮液加到未被净化的水中之前，最好用超声波搅动，这样可以破坏悬浮液在储存和运输期间形成的凝结块，以确保提高参与吸附过程的铁粉比表面积。
建议借助磁场使悬浮液磁铁矿颗粒磁化来实现固相分离，因而这些颗粒很快凝集成块，从而提高后继的澄清和/或过滤等净化工序的效率。
建议悬浮液加到被净化水中之前，将悬浮液煮沸，以便于使用前消毒。例如，净化饮用水或悬浮液长期储存时更应如此。煮沸过程可极大地提高磁铁的生成的速度，煮沸后可大大减少储存期间氢的释放。
下面结合示意图，详细描述本发明-水的净化方法，示意图中对实施本方法的装置，作一简略说明。
这套彼此相连接和按工艺流程安装的设备包括下列装置贮槽1，输送管道2，泵3，悬浮液和要净化水搅拌用容器4，水力旋流器5，磁化处理装置6，沉淀槽7，供水泵8，过滤器9，收集器10。在输送管道2上，在贮槽1的出口处装有阀门11。在供水泵3的出口处经管道12将工艺顺序安装的容器13和悬浮液搅拌超声波处理悬浮液装置14连接到管道2上。在装置14出口处输送管道12上装有阀门15。水力旋流器5的出口经管道16连接到泵3入口处的管道2上。在沉淀槽7下方装有残渣收集槽17，沉淀槽上方安装有开关18。
为了水的净化，取铁在水中电蚀分散后制得的悬浮液，该悬浮液借助SU，A，663515中所述装置制备，装置在图中未给出。该装置是由绝缘材料制成，并由带两个平钢板电极的容器组成，在其上加有脉冲电压。两极之间充填着规格为10mm球团还原(金属化)的铁矿石颗粒。在容器底部有网孔，经过网孔给水搅拌颗粒层。通电后，在水中沿颗粒形成的环路产生电荷。其结果发生颗粒金属和电极的电蚀分散作用。分散作用的单位耗电量为每千克金属4千瓦小时。电蚀产品是由悬浮在水中的高分散(小于等于1微米)的铁粉末组成的悬浮液。电蚀产品被水流带出容器并在沉淀槽中聚集，其停留时间直到不释放氢气泡和表面形成泡沫为止。这时，悬浮液中的铁开始转变为磁铁矿。停留时间和生成的磁铁矿量列于表1。然后将聚集在沉淀槽底部的悬浮液倒入容器中并将其送去净化污水。悬浮液用于净化电镀产生的污水，其化学成分列在表1中。
水的净化在示意图中所示的设备中进行。要净化的水收集在贮槽1中，而悬浮液加到容器13中。固相和液相之比(T∶G)如表1中所示。开动泵3，缓慢打开阀门11和15，调好既定的水流量Q1和相应的悬浮液流量Q2。将搅拌机不断搅拌悬浮液并经管道12从容器13中送到装置14中，并进行超声波处理，以使其均匀和提高吸附活性。继而，用泵3将悬浮液(沿管道12，2)和要净化的水(沿管道2)依次送到三个容器4中的每一个容器。在这些容器中用上升流搅拌悬浮液和水。在容器4中的T∶G比值列于表1。这时水中的金属离子和其它杂质的离子被吸附在悬浮液的颗粒上。容器4的总容积应等于该装置在3分钟内所净化的水的体积。从容器4的最后一个容器中将水和带悬浮液的水送到水力旋流器5，在这里将沉淀物浓缩成浆。流量为Q3的浆液经管道16从水力旋流器流入管道2并进一步被泵3吸取，而后稀释原始悬浮液。浆液中T∶G比值列于表1中。澄清的水和悬浮液残渣从水力旋流器5进入装置6，在这里悬浮液的颗粒被磁化并进入磁场，从而发生部分凝集。水从装置6进入沉淀槽7，悬浮液在这里迅速沉淀成沉淀物，沉淀物经开关18不断排放到收集槽17中。这些沉淀物将被埋掉和废物利用。澄清的水经泵8从沉淀槽7送至带亚麻帆布滤布的过滤器9，在这里水与悬浮液残渣分离。水从过滤器9进入净水收集槽10中。
在下表1中列出了流程的各种参数、悬浮液的特性和净化前、净化后水中杂质的含量。
实施例1取8个0.5升的污水试样，其杂质的化学成分列于表2。为除去水中杂质，向盛有该污水的量杯(0.5升)中加12滴按上述工艺制成的悬浮液，其不同之点是，将碳钢块进行电蚀分散，悬浮液的浓度(T∶G)为1∶2，固相中磁铁矿含量如表2中所列。往需净化的水中滴入悬浮液的数量列于表2中。每滴约为0.3毫升。然后用玻璃棒搅抖杯中所含物质，搅拌时间如表2中所示，继而将水静置10分钟，此后，将澄清的水小心倒出并在漏斗上经滤纸过滤，所得到的净化水用光比色法和极谱法进行分析，试验结果列于表2中。
实施例2取5个含放射性核素90Sr和90Y，且放射性为(1-8)×10居里/升的0.5升水样。
水的全部净化流程与实施例1相同，其不同之点是，在容量为0.05升的量杯中进行净化。悬浮液是用含硫生铁在水中电蚀分散片制成的。每滴悬浮液中固相含量为30毫克，水净化的各种参数和结果列于表3中。
实施例3用示意图上所示的上述装置，对两批饮用水进行净化。将需净化的水倒入容器1中并将按上述工艺流程用可阿姆克磁性铁在水中电蚀分散制成的悬浮液倒入容器13中，其区别在于悬浮液倒入容器13之前先煮沸一小时，以除去所含细菌和其它微生物。净化流程的各种参数和结果列于表4中。
本方法用于净化水中重金属和轻金属离子，放射性核素、硝酸盐、磷化合物离子及石油产品遗迹。
表1
参数 按本发明方法按已知方法悬浮液停放 324－时间，小时在悬浮液固相中磁铁矿含量,(重量)％310 －悬浮液中T∶G比值重量·小时 1∶91∶6－水的流量QI,米3／小时 8 17 －悬浮液流量Q2,升／小时 143 226 －悬浮液与水的搅拌时间，分钟6 360铁的消耗量，克有净化1米3的水 1785 1902 180000从水中除去1克杂质36300回返桨液的流量Q3米3／小时 2 4回返桨液中固相浓度，克／升 21.4 44.5容器4中固相浓度，克／升 5.7 10.0水中杂质浓度，毫克／升续表1
1 234
净化前／净化后铬 234／0.07180/0.01 234/180镉 78／0.43 1.8/0.01 78/0.5锌 25/0.28 17/0.005 25/0.9铝 16/0.05 13/0.05 16/12锡 7/0.09 4.4/0.05 7/5铅 3/0.20.45/0.03 3/0.3镍 26/0.18 56/0.05 26/20铜 150/0.69 425/0.05 149/6铁 53／0.5 2.4/0.005 55/50石油产品 8/0.1 6/0.1
表2
试 样1 2 3 4 5 6 7 8
1 23456789
在悬浮液固相中磁铁矿的含量％(重量) 30 30 40 50 50 50 5050悬浮液的滴量3222251714搅拌时间，分钟 13333 3 33铁消耗量，毫克每净化1立方分米水 180 120 120 120 1500 60 420820每除去1毫克杂质 8555 3123 2杂质在水中浓度，毫克1升净化前／净化后续表2
123 4 5 6 7 8 9
铬(6＋) 22／0.122/0.5镍 32/0.1铅 30／0.03铜500/0.1汞 4.95/0.0062铁 0／0.1 0/0.05 0/0.08 0/0.05 0/0.1 0/0.05 13/0.05 0.8/0.3
表3
参数 试 样
1 2 3 4 5
1 2 3 4 5 6
水的放射性×107居里／升净化前 1.66 1.55 1.61 1.61.5净化后 0.07 0.05 0.05 0.04 0.04
表4
参数 各 批 结 果 对饮用水的要求
1 2
123 4
悬浮液停放时间，小时煮沸前1000 24煮沸后 1000悬浮液固相中磁铁矿含量，％(重量)煮沸前40 8煮沸后60 20从悬浮液中气体的释放速度毫升／小时千克煮沸前0.12.3煮沸后0.05 0.2悬浮液中T∶G比值1∶9 1∶9重量·小时水流量Q1，米3／小时 8 8悬浮液流量Q2,千克／小时 16 8悬浮液与水搅拌时间，分钟 36
续表4
1 2 34
铁消耗量，克每净化1米3水 200 100从水中净化掉1克杂质 105回返桨液流量Q3,米3／小时 1 1在回返桨液中固相浓度，克／升10 20容器13中固相浓度，克／升 2.4 2.3水的特性净化前／净化后∶浊度，毫克／升 19／0.9 19/0.9＜1.5透明度，厘米 7/30 7/30 30pH 6.7/7.06.7/7.26.0-9.0硬度，毫克当量／升 3.8/2.9 3.8/3.0＜7.0杂质浓度，毫克／升铁 3.6/0.2 3.6/0.1 ＜0.3锰 0.425/0.02 0.425/0.01＜0.1铜 0.65/0.020.65/0.01 ＜0.1铅 0.1/0.0010.1/0.002 ＜0.03铝 1.2/0.01 1.2/0.008 ＜0.02锌 4.0/0.03 4.0/0.02 ＜5.0
续表4
1 2 3 4
汞 1.2/0.0007 1.2/0.0006＜0.001铬(6＋) 1.0/0.005 1.0/0.004 ＜0.05石油产品2.0/0.052.0/0.1 ＜1.9氯 0.1/0.001 0.1/0.005氟 0.63/0.20.63/0.25 ＜0.2硝酸盐 4.5/3.9 4.5/4 ＜40
权利要求
1.一种净化水的方法，该方法包括在水中加铁基吸附剂、搅拌及随继进行固相分离，其特征在于用黑色金属在水中电蚀分散制成的悬浮液作吸附剂，其中固相中磁铁矿含量不低于3%(重量)。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于加到需净化水中的悬浮液的数量按干物质计，每净化一克杂质需3-120克。
3.按照权利要求1.2的方法，其特征在于悬浮液与要净化的水在20-70℃温度下进行搅拌。
4.按照权利要求1的方法，其特征在于含铁、磁铁矿和被吸附杂质的分离出来的固相的50%(重量)以上送至悬浮液加入水中阶段，并在混有悬浮液的混合物中用作吸附剂。
5.按照权利要求1的方法，其特征在于所述悬浮液加入到要净化的水中之前，用超声波进行搅动处理。
6.按照权利要求1的方法，其特征在于借助磁进行固相分离。
7.按照权利要求1的方法，其特征在于所述悬浮液加入到要净化的水中之前，先进行煮沸。
全文摘要
净化水的方法包括向水中加入一种用黑色金属在水中电蚀分散制成的，且磁铁含量不少于3％(重量)的吸附剂一悬浮液、搅拌和相继进行的固相分离。加到水中的悬浮液的数量，按干物质计，每净化一克杂质需3—120克。
文档编号C02F1/62GK1068549SQ9110465
公开日1993年2月3日 申请日期1991年7月13日 优先权日1991年7月13日
发明者列昂尼德·帕夫洛维奇·福姆金斯基 申请人:“转子”科研生产联合公司