[发明专利]基于铝基复合氧化物的除氟吸附材料及制备方法与应用和制备方法的专用装置

说明书

技术领域

本发明属于去除水中氟的材料领域，特别涉及以铝氧化物为基础的基于铝基复合氧化物的除氟吸附材料及制备方法与应用，以及适合采用原位制备方法的专用装置。

背景技术

氟广泛存在于地下水环境中，并主要源于天然地球化学过程中的岩石、矿物及土壤中氟的溶出与释放。我国较为普遍的存在地下水氟污染，除上海市以外，其余各省、自治区和直辖市都发现以地下水为水源的饮水性氟病。调查研究发现，长期饮用氟离子浓度为2.0mg/L左右的井水的人群中患轻度以上氟斑牙的概率接近50％；连续饮用含氟量为5～6mg/L的地下水10年会普遍导致氟斑牙，40年则普遍发生氟骨症。

饮用水中氟去除与控制技术是国内外研究的热点与难点问题。国内外目前普遍采用的除氟技术主要包括活性氧化铝过滤、电渗析、骨炭吸附过滤、离子交换树脂床过滤、铝盐混凝沉淀法和膜过滤等。例如，美国从50年代开始采用活性氧化铝、骨炭和磷酸三钙作为吸附剂，将原水用硫酸调至pH＝5.5后进行处理。西德利用氧化铝进行除氟，且利用二氧化碳来降低原水pH值。原苏联采用活性氧化铝吸附和铝盐混凝沉淀法除氟。印度对于小型集体饮水除氟设备采用混凝过滤法：在每升原水中投加490～725mg硫酸铝及95～140mg石灰，使饮水含氟量由1.8～2.5mg/L降至0.37～1.35mg/L。我国目前主要使用化学沉淀和吸附过滤等方法进行除氟，主要的吸附剂为活性氧化铝和沸石等。反渗透膜过滤方法也具有良好的除氟效果，但存在处理成本高、产生大量含盐浓水、几乎所有离子均被去除等缺点。总的说来，各种技术方法有不同的优缺点与使用条件，并在运行成本、使用简便性、长期运行可靠性等方面也存在差别。

吸附法以具有高比表面积、优良机械强度的不溶性固体材料为吸附剂，通过物理吸附、化学吸附或离子交换等作用将水中氟等污染物吸持在吸附剂表面，从而达到去除水中氟等污染物的目的。吸附法无需复杂加药过程、简单易行，尤其适合于操作水平较低的农村地区使用。

目前工程中应用较为普遍的除氟吸附材料有骨炭、活性氧化铝、黏土、磷酸三钙、沸石等。此外，也有一些天然或合成的金属氧化物与水合氧化物等新型除氟材料的报道。例如，铁基稀土复合除氟材料、铝氧化物或铁氧化物、稀土掺杂氧化物、负载稀土氧化物树脂材料及胶原蛋白材料、无机锆铁复合材料、将水合氧化铈粉末均匀掺杂在聚乙烯醇树脂中制备成的READ-F除氟吸附材料等。不同除氟材料在除氟性能、成本、再生方法上差异较大。总的说来，较为廉价的材料往往除氟容量较低、效果有限；而除氟效果较好的材料存在成本较高，难以大规模推广应用的缺点。例如，蔡亚岐等人发明了具有很强除氟能力的氧化铁-氧化铝复合纳米除氟材料(专利申请号：CN200710118307.1)，但材料制备工艺复杂，成本昂贵，且往往需要外加磁场才能较好地实现固液分离，从而难以在工程实际中大规模推广应用。李华等人发明了改性壳聚糖交联树脂除氟材料(专利申请号：CN200710185294.X)，往往存在材料中单体有机物溶出进而水质恶化的问题。许庆华发明的凹凸棒除氟剂(专利申请号：CN200510040604.X)的材料制备成本较低，但吸附剂投量较高，且需要复杂的絮凝、沉淀、澄清过滤等单元实现固液分离，不利于在农村分散式除氟工程中应用。

进一步地，人工合成的除氟吸附材料通常通过浸渍、沉淀、烧结等过程将具有吸附活性的组分固定在某些多孔载体表面后进行应用。但是，上述人工合成的除氟吸附材料在长期运行条件下，活性吸附位点将被氟离子占据而达到饱和，往往需要复杂的碱液或铝盐溶液多种组分溶液混合液进行再生。另一方面，活性组分在长期运行过程中可能通过碰撞、摩擦等作用而流失，且需要重新进行浸渍、沉淀、烧结等复杂制备过程或对材料进行彻底更换。上述操作过程大大限制了人工合成的除氟吸附材料与除氟技术在工程实际中的应用。因此，研究开发成本低廉、使用方便、易于再生、且具有优良除氟效果的新型吸附材料是目前国内外研究的热点和难点。其中，除氟吸附材料成本低、使用操作方便与长期使用除氟效果稳定等因素是除氟吸附材料能够在工程中大规模推广应用的基础要素。

发明内容

本发明的目的之一是针对水中氟污染物，尤其是地下饮用水源中的氟，提供一种性能高效、经济可行、易于在工程中应用的基于铝基复合氧化物的除氟吸附材料。

本发明的目的之二是提供基于铝基复合氧化物的除氟吸附材料的制备方法。

本发明的目的之三是提供基于铝基复合氧化物的除氟吸附材料的应用。

本发明的目的之四是提供一种适合采用原位制备方法进行制备基于铝基复合氧化物除氟吸附材料的水净化反应器。