[发明专利]用于氟离子和磷、砷的含氧阴离子的高容量吸附剂及其制备方法

说明书

一种氧化铝基吸附剂及其制备方法，其在广泛的pH值范围内并且存在过量竞争离子的情况下对氟离子和磷、砷氧离子具有高亲和力和容量。氧化铝基吸附剂是一种氧化铝以特定比率存在于四、五和八面体中的混合氧化物，以及元素钛、锆、锡、铈、镧、铁或其组合的多价金属氧化物。在医药和食品行业，氧化铝基吸附剂可用于从饮用水、工业流和废弃物中选择性去除氟离子和磷、砷氧离子。

发明背景

1.发明领域

本发明涉及过滤介质，更具体地说，涉及一种高容量吸附剂及其制备方法。高容量吸附剂包括在广泛的pH值范围内和存在高过量竞争离子的情况下对氟离子和磷、砷的含氧阴离子增强的性能。在医药和食品行业中，高容量吸附剂用于从饮用水、工业流和废弃物中选择性去除氟离子和磷、砷的含氧阴离子。

2.相关工艺描述

不溶性多价金属氢氧化物的离子交换特性从1950年代以来就已经被研究[C.B.Amphlett，无机离子交换剂，爱思唯尔，纽约(1964)]。结果发现，这些氢氧化物(氢氧化铝、氢氧化铁、氢氧化钛、氢氧化锆等)中的一些是两性的，并且根据pH值表现为阳离子交换剂或阴离子交换剂。

氟化物被认为是动物和人类的必需元素，因为它在骨骼和牙本质矿化中起着重要作用。然而，当氟化物存在多于1.5毫克/升时，它将会影响牙齿、内分泌腺、肝脏和其它器官。目前，世界卫生组织承认活性氧化铝(AA)吸附作为一种水除氟的最佳吸附剂。一些通过改变工艺条件对水除氟AA性能的研究表明，最大吸附的最佳pH值为5和7之间。活性氧化铝对氟的容量取决于AA的制备路线、结晶形态，并且可从1变化到20毫克/克，根据操作条件[A.Bhatnagar等人，通过吸附从水中去除氟-评论，化学工程学报，171，第811-840页，(2011)]。其它类型的多价金属氧化物也有去除氟离子的能力，但它们的效率通常低于AA。粒状氢氧化铁(GFH)展示了在pH范围约为6–7内约为7毫克/克的氟容量；水合二氧化钛和氧化锆具有相似的差性能(美国专利6077809展示了在pH值约为3时约为5毫克/克的容量)。一些二元多价混合氧化物已被测试作为潜在的氟吸附剂。结果发现，氧化铝-二氧化钛氧化物具有约为3毫克氟/克的容量；氧化锆-铁具有约为10毫克氟/克的容量；而氧化铝-氧化铁具有高达4毫克氟/克的容量(例如参考美国专利号6599429)。氧化铝-氧化铈在pH值6时具有高达90毫克/克的氟化物容量，但是铈的高成本使得该材料对于水除氟成本过高。

多价金属基水合氧化物对磷、砷的含氧阴离子显示了高亲和力。水合氧化锆已被用于肾透析中的磷酸盐去除(例如参考美国专利号6878283、7033498、7135156、8002726和美国专利公开号2010/0078387)。已经表明，氧化锆的磷容量对血液透析溶液可达到90 120毫克PO₄/克。铁氧化物对PO₄的高亲和力允许其用于水处理(参考美国专利号5876606)，也可用于人类和动物口服以预防高磷血症(参考美国专利公开号2009/169645和2013/316018)。

氢氧化铝被建议为砷的吸附剂(参考美国专利号6030537)；然而，氧化铝对砷的容量明显低于水合二氧化钛(例如参考美国专利号6919029、7473369和7497952)、锆(美国专利号6383395、7252767和6077809)和铁的氧化物(美国专利号6830695、7625487和8404210)。此外，氢氧化铝只能够吸附砷(V)，并没有对砷(Ⅲ)的亲和力。使用多价混合氧化物选择性去除砷已被证明：氧化铝-氧化铁(美国专利号6599429)，锰和掺杂铁的钛和锆氧化物(美国专利号8216543)。

用于水降氟除砷的选择性无机吸附剂、富营养化防治、工业流处理在医药和食品行业不同应用中的广泛使用在工艺上是缺乏的，并且需要进一步研究具有增强吸附性能的成本有效的材料。

发明内容