CN102432115A - 除氟装置及高氟水除氟系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种除氟装置及高氟水除氟系统。其除氟装置包括筒体，其上部设置有进水口，下部设置有出水口，在所述筒体内由上至下依次设置有活性炭和脱脂棉层、除氟填料层、支撑层，所述除氟填料层厚500～100mm，其由改性沸石滤料填充而成，其粒径为0.5～2.5mm，滤料不均匀系数K≤2。两个及其以上的除氟装置及滤料活化再生单元即构成高氟水除氟系统。本发明装置及系统的平均除氟率可达到99%以上；其造价低，运行费用低，除氟制水成本低；操作简便，设备安装和使用便利，占地面积小；高氟水除氟系统可根据当地含氟量的高低情况，选择一级或多级处理，实现除氟系统模块化操作，确保除氟后的水质达到或优于饮用水标准。

Description

除氟装置及高氟水除氟系统

技术领域

本发明涉及水的净化处理技术领域，具体涉及一种除氟装置及高氟水除氟系统。

背景技术

氟是人体必需的微量元素，是形成坚硬的骨骼和牙齿必不可少的元素，可以防止龋齿，维持人体正常的钙磷代谢，提高生物体的抗衰老能力。但是过量的摄入会引起骨畸形，最终使人丧失劳动能力，还会引起多种过敏反应、遗传性疾病、癌症、新生儿缺陷，严重影响人们的身体健康和全民经济的发展。人体每日需摄入氟2.4mg左右。我国规定，生活饮用水中氟的浓度不超过1.0mg/L。而高氟水在中国分布较为普遍，主要分布于华北、西北和东北地区的浅层地下水。目前我国仍有7700万人饮用氟含量超标的水，主要集中在广大农村地区，其中约500万人饮用氟含量超过5.0mg/L的水，严重影响着人体的健康和安全。国内、外对高氟饮用水的处理技术做过不少研究，发展出的除氟方法主要有：吸附法、沉淀法、电凝聚法、电渗析法、反渗透法等，但现有的这些除氟方法不同程度地存在处理费用高、适用性差、氟含量难以稳定达标的问题。当前，迫切需要根据高氟水的特点，研究开发出能满足农村和乡镇分散供水条件下经济适用的高氟饮用水处理技术，保障农村居民的饮水安全。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种除氟效率高、运行稳定、成本低、适用性好的除氟装置，并提供了由该除氟装置为主体所构成的高氟水除氟系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种除氟装置，包括筒体，其上部设置有进水口，下部设置有出水口，在所述筒体内由上至下依次设置有活性炭和脱脂棉层、除氟填料层、支撑层，所述除氟填料层厚500～100mm，其由改性沸石滤料填充而成，滤料粒径为0.5～2.5mm，滤料不均匀系数K≤2。

所述改性沸石滤料的制备方法如下：

（1）以NH₄Cl溶液浸泡沸石滤料（人造沸石或天然沸石均可），以去除杂质，疏通孔道。NH₄Cl溶液的浓度和浸泡时间对活化效果有一定影响，经过实验，确定可采用浓度为2.5～3.5wt%，用量以淹没沸石滤料为准即可，浸泡时间为5～8小时，然后用自来水（低氟水或无氟水）反复冲洗至pH值为中性，最后用蒸馏水洗涤2～3次，放在自然通风处晾干；

（2）采用FeC1₃溶液浸泡，进一步疏通沸石的孔道和空穴，扩展沸石滤料的比表面积，Fe³⁺带有大量的正电荷，对溶液中的负离子有强烈的吸附作用；FeC1₃溶液采用浓度为4～6wt%，与沸石滤料的液固比5ml：1g，浸泡5～7h后反复冲洗去除附着于沸石表面的铁离子。

改性沸石滤料使用一段时间后，其除氟效果会逐渐降低，这时，可用加再生剂的方法，激活沸石滤料的除氟性能，从而提高除氟效果。改性沸石滤料再生液可选定为氯化铵+氯化铁混合溶液。

可以3～5wt %氯化铵+4～6wt %氯化铁的混合溶液按照10ml:1g的液固比煮沸浸泡改性沸石滤料5～7h。

实验证明，用氯化铵-氯化铁的溶液煮沸浸泡沸石（4%的氯化铵，5%的氯化铁混合），按照10ml:1g的液固比，改性沸石再生效果最好。有关数据见下表1。

表1 氯化铵-氯化铁联合煮沸法改性沸石再生影响结果

吸附剂样本	氯化铵溶液浓度	氯化铁溶液浓度	吸附后水样的氟离子浓度(mg/L)
				人造沸石	4%	5%	0.10
天然沸石	4%	5%	0.10

改性液浸泡时间对除氟效果的影响较大,随着浸泡时间的增长,氟的去除率逐渐上升,至6h时达到较高水平，继续延长改性浸泡时间,去除率不再明显增大，除氟反应趋于平衡。

实验证明,当液固比小于10：1时,氟的去除率趋于平衡状态。这是因为对于单位质量的沸石，加入的改性溶液的量增大时,沸石所能利用的活性物质如NH4+就相对增多,这些活性物质又对氟离子有着较好的吸附作用。但沸石滤料结构中的活性位是有限的,当固液比减小到一定程度时,沸石对活性物质的结合趋近饱和,因而去除率趋于平衡。当活性物质的量远大于沸石滤料的活性位时，去除率就会有所降低。

pH值过高或过低都会影响改性人造沸石的除氟效果。在pH=5～9的范围内，pH偏酸性时，去除率较低，不利于吸附，pH为中性或弱碱性时，吸附率较高。除氟率在酸性环境中较低的原因是：由于当pH＜6时，H⁺与F^-形成HF，这样就减少了吸附可利用的游离态F^-，阻碍了对F^-的吸附；当pH过高时，OH^-与F^-是等电子的，它们具有同样的电荷和相似的离子半径，故OH^-会与F^-发生竞争吸附，占据阻塞孔穴与孔道，从而抑制对F-的吸附，造成除氟率下降。

所述改性沸石滤料的吸附交换容量EW为3.5～4.0mg/g，堆积密度为630～650kg/m³。

所述除氟填料层中的水流速度控制为1.1～2.6m/h。

一种高氟水除氟系统，包括至少两个串联或/和并联在一起的如上所述的除氟装置、进水管路、出水管路、各除氟装置间的连接管路，以及滤料活化再生单元，该滤料活化再生单元经由相应的管路与各除氟装置相连形成相应的循环回路。

在所述高氟水除氟系统的进水管路中设置有控制检测单元，其包括：

（1）水质监测传感器：自动检测水质，误差不超过5%,可选择市售；

（2）信号传输线路：用于将水质检测的数据传输到控制开关，该部件可从市场上选购；

（3）控制开关：当数据超过或小于设定值时，控制开关打开或者关闭。决定利用一级、二级或多级处理系统，该部件可从市场上选购。

在所述高氟水除氟系统的出水管路中设置有检测单元，其包括：

（1）水质监测传感器：自动检测水质，误差不超过5%,该部件可从市场上选购；

（2）信号传输线路：将水质检测的数据传输到控制开关，根据需要从市场上选购即可；

（3）控制开关：当数据超过或小于设定值时，控制开关打开或者关闭，决定是否利用再生液对人造沸石进行再生，该部件可从市场上选购。

另外，系统中还可安装一个水质监测传感器，用来检测出水水质是否达到饮用水标准，如果达到饮用水标准，即出水，否则进行再次循环除氟。确保饮水安全。

所述滤料活化再生单元包括储液容器及活化再生液，所述活化再生液为含3～5%氯化铵和4～6%氯化铁的混合溶液。

本发明具有积极有益的效果：

1.除氟效果好，平均除氟率可达到99%以上；

2.造价低、投资省，运行费用低，除氟制水成本低；

3.操作简便：实行自动化、半自动化操作不用调节pH值；

4.设备安装和使用便利，占地面积小；

5.除氟设备的水利用率高（98～99％以上）；

6.高氟水除氟系统可根据当地含氟量高低，灵活方便的选择一级或多级处理，实现除氟系统模块化操作，确保除氟后的水质达到或优于饮用水标准。

附图说明

图1为一种除氟装置的结构示意图；

图2为一种高氟水除氟系统的原理结构示意图。

图中，1为筒体，2为进水口，3为活性炭和脱脂棉层，4为除氟填料层，5为支撑层，6为出水口，7为一级除氟装置，8为二级除氟装置，9为控制检测单元，10为检测单元，11为控制单元，12、13、14、16为阀门，15为再生液贮存器。

具体实施方式

以下结合具体实施例进一步阐述本发明。下述实施例中所用方法，如无特别说明，均为常规方法；下述实施例中所用的原材料及相关器件，如无特别说明，均为市售。

实施例1  一种小型除氟装置，参见图1，包括筒体1，其上部设置有进水口2，下部设置有出水口6，在筒体1内由上至下依次设置有活性炭和脱脂棉层3、除氟填料层4、支撑层5，各部分结构参数设计计算如下：

（1）除氟器时产水量Q_h

设定每户家庭平均5口人，每天人均生活饮用水10L/d，则除氟系统日设计产水量：

Q=5×10=50L/d

除氟系统全天工作t₁=24小时，则除氟系统时设计产水量：

（2）除氟器直径D计算

除氟器总工作断面积：

S=

式中：v为滤速，一般采用0.1～0.5m/h，此设计取0.12m/h。

除氟器直径：

D=

（3）除氟器有效高度H

H=vt=0.12×400/60×1000=800mm

式中：t为过滤接触时间，过滤接触时间一般以不小于180 min为宜，本例取400min。

（4）吸附剂选择和人造沸石装填量

通过实验，选择改性人造沸石为吸附剂。经过改性后，人造沸石平均除氟效果可达到99%以上。除氟器人造沸石装填量按下式计算：

V_L=SH=0.017×0.8×1000=14.13L

相应干人造沸石重量：W=V_Lγ 

式中：γ为除氟剂滤料干容重，单位为kg/m³。

（5）除氟器的吸附交换工作时间

除氟器的几何尺寸和滤料装填量已定，则可根据吸附交换物料平衡关系式，计算除氟器的吸附交换工作时间T₁：

吸附交换物料平衡关系式计算：

因为：SHEv=QT₁ΔρF^-

所以：

T₁=

式中：S为除氟器总断面积，m²；H为除氟剂滤料层厚度，m；

Ev为人造沸石滤料吸附交换容量，单位是g/m³；此设计采用人造沸石吸附交换容量EW为4.0mg/g，得Ev为2560g/m³；改性人造沸石堆积密度640kg/m³。

ΔρF^-为被吸附交换去除的F^-离子浓度，单位是g/m³，设计进水ρF^-=5.0 mg/L，出水ρF^-=0.8mg/L，则ΔρF^-=5.0-0.8=4.2g/m³。

即可满足运行时间165天，沸石从运行到饱和周期长，不需频繁更换。

上述除氟装置各具体的设计参数可参见表1。

表2 除氟装置设计参数

序号	参数	特性
			1	规格	Φ150mm×800mm
2	除氟剂的吸附交换容量	4.0 mg/g
			3	滤料粒径	0.5～2.5mm
4	过滤接触时间	180min
			5	滤速	0.12m/h
6	滤床高度	800mm
			7	吸附交换工作时间	3950h
8	材质	有机玻璃

实施例2 一种高氟水除氟系统，参见图2，包括一级除氟装置7、二级除氟装置8和滤料活化再生单元及进水管路、出水管路、各除氟装置间的连接管路，两级除氟装置通过相应的管道相连通，经由阀门的通断12、16配合分别依次形成串联状态和并联状态；滤料活化再生单元包括再生液贮存器15、活化再生液，其经由相应的管路分别与各一级除氟装置7、二级除氟装置8相连形成相应的循环回路。活化再生液为含4%氯化铵、5%氯化铁的混合溶液。

在进水管路中设置有控制检测单元9，其由水质监测传感器、信号传输线路、控制开关等组成；在出水管路中设置有检测单元10，其由水质监测传感器、信号传输线路、控制开关等组成。

上述一级除氟装置可设置为吸附量大、吸附剂较为低廉的初级处理，二级除氟装置作为主要的除氟单元可进一步保证出水达到卫生饮用水标准。该设计可以满足不同地区高氟水浓度变化差异的要求，通过检测控制单元9和阀门12、13、16可以选择性的只使用二级除氟装置或一、二级除氟装置同时使用，以提高除氟效果，并降低运营成本。滤料活化再生单元可以通过控制单元11及阀门14只再生二级除氟装置或一、二级除氟装置中的改性沸石滤料。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，如尺寸参数的变化、零部件的同等替代等等，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种除氟装置，包括筒体，其上部设置有进水口，下部设置有出水口，其特征在于，在所述筒体内由上至下依次设置有活性炭和脱脂棉层、除氟填料层、支撑层，所述除氟填料层厚500～100mm，其由粒径为0.5～2.5mm、不均匀系数K≤2的改性沸石滤料填充而成。

2.根据权利要求1所述的除氟装置，其特征在于，所述改性沸石滤料的制备方法如下：

（1）取破碎好的沸石滤料，置浓度为2.5～3.5wt%的NH₄Cl溶液浸泡5～8h，以去除杂质，疏通孔道，再用自来水反复冲洗至pH值为中性，最后用蒸馏水洗涤2～3遍，放在自然通风处晾干；

（2）向晾干后的沸石滤料再按5ml：1g的液固比加入浓度为4～6wt%的FeC1₃溶液浸泡5～7h，进一步疏通沸石的孔道和空穴，扩展沸石滤料的比表面积。

3.根据权利要求1所述的除氟装置，其特征在于，所述改性沸石滤料的再生活化方法：

向改性沸石滤料中按10ml:1g的液固比加入3～5wt%氯化铵+4～6wt%氯化铁的混合溶液，并煮沸浸泡5～7h。

4.根据权利要求1所述的除氟装置，其特征在于，所述改性沸石滤料的吸附交换容量EW为3.5～4.0mg/g，堆积密度为630～650kg/m³。

5.根据权利要求1所述的除氟装置，其特征在于，所述除氟填料层中的水流速度控制为1.1～2.6m/h。

6.一种高氟水除氟系统，其特征在于，包括至少两个串联或/和并联在一起的如权利要求1所述的除氟装置、进水管路、出水管路、各除氟装置间的连接管路及滤料活化再生单元，该滤料活化再生单元经由相应的管路与各除氟装置相连形成相应的循环回路。

7.根据权利要求6所述的高氟水除氟系统，其特征在于，在所述进水管路中设置有控制检测单元，其含有水质监测传感器、信号传输线路、控制开关。

8.根据权利要求6所述的高氟水除氟系统，其特征在于，在所述出水管路中设置有检测单元，其含有水质监测传感器、信号传输线路、控制开关。

9.根据权利要求6所述的高氟水除氟系统，其特征在于，所述滤料活化再生单元包括储液容器及活化再生液，所述活化再生液为含3～5wt%氯化铵和4～6wt%氯化铁的混合溶液。

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