[发明专利]一种基于铁基复合氧化物去除水中砷的反应器

说明书

技术领域

本发明属于吸附去除砷污染物的水处理领域，特别涉及以铁氧化物为主要成分的铁基复合氧化物吸附除砷的反应器及应用方法。本发明提出将掺杂锰元素的铁基复合氧化物有选择地装配成吸附反应器，同步等效去除水中的砷污染物。

背景技术

砷是一种自然存在的元素，由于自然风化、生物活性、火山喷发、大气沉降等因素造成砷元素从岩石矿层中迁移转化到土壤环境、水环境中，进而通过饮用水和食物链对人体产生急性或慢性毒害作用。其中，水环境是砷元素产生和释放毒害效应的重要介质和途径。含砷水若被作为饮用水水源、农业灌溉用水、渔业用水时，人体摄入砷的危险性更大。目前包括我国在内的二十多个国家和地区前后报道了地方性砷中毒事件，受砷暴露危害的人口超过5000万。为了控制水中砷对人体的危害，我国通过标准的形式对不同水环境中砷浓度限值进行了严格的规定。例如，国家生活饮用水卫生标准规定饮用水中砷最大浓度必须低于0.01mg/L；水环境质量标准中要求四类及其以上水体中砷浓度应该低于0.05mg/L；工业废水排放标准中规定排放入水体中的工业废水中砷浓度应低于0.50mg/L。

砷元素在水中的存在形态有-3，0，+3，+5等多种价态，以对人体的危害程度排序：砷酸＜颗粒砷＜亚砷酸＜砷氢酸。砷以混合价态存在于水中，但主要存在形态因水的氧化还原电位、酸碱性不同而各异。砷酸盐(As(V))在氧化性水环境中占主导地位，如表层湖水、河水等；亚砷酸盐(As(III))则多存在于还原性水中，如地下水、深层湖水等。水中砷的去除技术一直是国内外研究的热点与难点问题，特别是饮用水中低浓度砷的安全去除更是受到人们的广泛关注。针对还原价态的As(III)和氧化价态的As(V)，目前的饮用水除砷技术大都采用预先氧化、分步去除的策略，但多步操作会增加额外的处理装置和处理成本。繁琐的操作程序和庞大的处理设备带来高运行成本会限制除砷技术的推广应用。

铁基吸附剂是以铁为基本成分、对砷有高吸附性能的材料，近几十年来一直被视为吸附除砷的首选吸附剂，在控制和消除砷污染方面起到非常重要的作用。申请者前期发明的铁锰复合氧化物/硅藻土除砷吸附材料可实现对As(III)的有效氧化及吸附，但由于砷污染水中As(III)和As(V)的比例不同，只有优化铁锰复合氧化物中铁锰的比例，才能使水中的砷有效去除。因此，本发明开发了一种合理利用铁锰复合氧化物吸附剂，高效去除As(III)和As(V)的反应器。

发明内容

本发明的目的是开发一种针对含砷水中As(III)和As(V)的比例，合理利用铁基复合氧化物吸附除砷的反应器。

本发明所涉及的除砷反应器的原理是：基于As(III)和As(V)在吸附剂表面吸附机理不同，利用两种价态砷的被吸附速率的差异，设计了分层次填充不同铁锰摩尔比例的铁基复合氧化物吸附除砷反应器。氧化态As(V)因能直接在吸附剂表面被吸附固化，在吸附反应开始阶段被去除速率较快。还原态As(III)因先被吸附剂中的二氧化锰氧化后再被吸附，其被去除速率较慢。同时，为阻止氧化过程中二氧化锰被还原产生的Mn²⁺进入外部水环境中，必须在吸附反应器底部填充铁比例较高的铁基复合氧化物。在除砷反应器运行过程中，吸附床层自上而下分为四个区域，第一层填充铁锰摩尔比例为1.0～3.0的铁基复合氧化物/硅藻土吸附材料(颗粒粒径0.5～1.0mm)，主要氧化去除吸附速率较慢的As(III)。第二层吸附床填充铁锰比例3.0～5.0的铁基复合氧化物/硅藻土吸附材料(颗粒粒径0.5～1.0mm)，主要吸附去除氧化As(III)过程产生的Mn²⁺和As(V)。第三层吸附床填充铁锰比例5.0～10.0的掺杂型铁基复合氧化物/硅藻土吸附材料(颗粒粒径0.3～0.5mm)，主要以吸附过滤的方式去除水中的As(V)。最后一层吸附床则铁锰比例10.0～15.0的掺杂型铁基复合氧化物/硅藻土吸附材料(颗粒粒径0.3～0.5mm)，目的确保水中残余的砷、锰、铁等其它污染物都能从水中完全被吸附固化。

本发明所述的铁基复合氧化物吸附剂的载体可包括硅藻土、锰砂、石英砂等常见滤料，根据反应器的规模和待处理水体砷污染程度的不同，可选择较适合的滤料。上述材料的颗粒粒径在0.3-1.0mm范围内。