[发明专利]一种利用铁矿渣去除水中砷的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种去除水中砷的方法和装置，具体说是一种对高砷水具有预加热、预氧化、预消毒和预调节pH功能的利用廉价固体废弃物铁矿渣去除地下水中砷的方法和装置。

背景技术

长期饮用砷超标的水，引起砷中毒，可导致皮肤癌和多种内脏器官癌变。慢性砷中毒患者除有头痛、头晕等症状外，突出表现为皮肤损害，症状为皮肤色素沉着、皮肤角化过度及皮肤癌。高砷地下水已成为威胁人类用水安全和健康的全球性问题。我国地下水砷含量超标地区主要分布于内蒙古、山西、新疆、宁夏和吉林等7个省，受影响人口约230万，其中饮水型高砷暴露人口已超过50万人。地下水砷超标严重影响我国部分地区人们的身体健康。

目前，国内外主要除砷方法有沉淀法、吸附法、氧化法、离子交换法、生物除砷技术等。在众多的除砷方法中，吸附技术被认为是适合于社区、以村镇为单位的农户及分散居住的家庭使用的最为有效的技术。天然矿物、合成的铁及铝的氧化物及羟基氧化物、铁氧化物负载材料、零价铁、钛氧化物及负载材料、稀土氧化物及活性碳等被用作吸附剂来除砷。但其中一些材料的昂贵价格，使其缺少批量应用的商业价值。

吸附剂往往对于As(III)的吸附效果较差，而地下水中As(III)往往是总砷的主要组成，且As(III)的毒性高出As(V)60倍。为降低地下水毒性和提高除砷效果，有必要对地下水进行预氧化处理。通常用氧化剂将As(III)氧化为As(V)。常用的氧化剂有游离氯、次氯酸盐、臭氧、高锰酸盐、Fenton试剂等。但在饮用水中应避免使用化学性氧化剂，以免残留或在氧化过程中产生副产物，因此，氧成为饮水除砷过程中首选的氧化剂，但溶解氧的氧化动力学很慢，而臭氧的强氧化性可有效促使氧化反应的进行。

铁矿渣是冶炼钢铁产生的固体废弃物，具有以下特点：①多孔，比表面积大，是良好的吸附材料；②铁矿渣中的氧化铁可以做氧化剂，絮状铁有良好的吸附性；③具有一定的机械强度；④廉价易得，处理成本较低。然而，铁矿渣如未合理处置，随意堆放，可能引起山体滑坡，尾矿堆受雨水长期淋滤可产生次生污染，污染地下水，因此，十分有必要妥善处置铁矿渣。

综上所述，针对我国地下水砷污染分布区的实际，开发出廉价又具有良好除砷效果的方法和装置对高砷地下水广泛分布的农村地区饮用水安全问题的有效解决具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种去除高砷水中砷的方法和装置，同时实现固体废弃物的再利用。

本发明的原理是利用铁矿渣中铁氧化物对砷强的结合能力和高的吸附容量吸附水中的砷，从达到除砷的目的。温度影响吸附效果，通过静态批实验得出相对高温有利于铁矿渣对砷的吸附，因此，对高砷水进行加热预处理。地下水中砷以As(III)和As(V)形式共存，由于As(V)更易于被吸附的特点，在吸附前用臭氧将As(III)被氧化为As(V)，以利于后续吸附的进行，实现去除水中砷的目的。

在环境扫描电子显微镜和X-射线衍射仪的观察分析下，铁矿渣形貌和成份有以下特点：多孔性，有片状、立方锥四面体、似蜂窝状等多孔结构，比表面积大；主要含有赤铁矿、铁橄榄石、磁铁矿等。铁矿渣去除水中砷的批实验和土柱实验，也证明其具有良好的吸附性。

研究表明铁矿渣对高砷水中As(V)的吸附符合Langmuir吸附等温曲线，温度对吸附砷效果影响明显，较高温度有利于砷的吸附(40℃＞30℃＞20℃)，温度主要影响吸附过程中孔隙扩散阶段的吸附速率。本发明采用电加热方式，增加水温以提高吸附效果。

高砷地下水中除了含有砷的各种离子以外，还含有Fe²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺、SO₄^2-、Cl^-、硬度、SiO₂及腐殖酸等有机物，因此，需要对作为饮用水的地下水进行消毒处理，目前饮用水消毒的氧化物有臭氧、次氯酸钠、氯铵、高锰酸钾等。目前使用较多的是氯消毒和臭氧消毒。因此，选择臭氧或者次氯酸钠既氧化As(III)，又可对水体进行消毒。水中含有的NO₂^-也会被氧化，Fe³⁺、Mn²⁺会以水合羟基氧化物等形式从水中沉淀出来，它们对As(V)也有吸附作用。