CN102600792B - 一种用于饮用水净化的二氧化钛颗粒吸附剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于饮用水净化的二氧化钛颗粒吸附剂的制备方法。本发明将硫酸氧钛经溶解、pH调节及洗涤，得到偏钛酸浆液。在上述浆液中加入粘合剂，反应几小时后烘干造粒，最终得到二氧化钛颗粒吸附剂。经吸附实验证明该吸附剂对地下水中的砷氟均具有较强的吸附能力，可用于广大农村地区高砷氟地下水的处理净化，达到饮水要求。

Description

一种用于饮用水净化的二氧化钛颗粒吸附剂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于净化地下水的二氧化钛颗粒吸附剂的制备方法。
背景技术
饮水安全与人类健康密切相关。随着环境污染日益严重，地下水中砷、氟的污染与毒害已成为世界性的问题，在局部地区砷污染尤其严重。目前世界上有十几个国家发生较大区域的砷氟污染，中国是其中之一。高砷水和高氟水一直威胁着我国部分农村居民的饮用水安全，高浓度砷氟复合污染和砷氟联合中毒的现象在我国新疆、山西、内蒙古、贵州等地区屡有报道。
饮水型砷中毒是一种常见的地方病。砷主要以无机盐形式，即(AsO4 3-)和亚砷酸盐(AsO3 3-)存在于自然水系中，这两类砷化物可通过呼吸道、食物或皮肤接触进入人体内。当人们长期饮用高砷地下水时，砷会在人体内不断积累最终导致慢性中毒，危害到人体器官的正常功能，例如降低酶活性、干扰人体正常代谢、使神经系统发生紊乱，造成毛细管扩张等，从而引发身体各种病变和癌症。
氟在自然环境中广泛分布，并且是与人体健康密切相关的微量化学元素之一，人体吸收适量的氟可以预防龋齿，促进骨骼的钙代谢。而当人体摄入过量的氟，则会引起人体的钙磷代谢失调，造成体内缺钙，引起氟中毒。轻者氟斑牙，严重者会发生骨骼变形，丧失劳动力甚至死亡，此即氟骨症。我国生活水饮用标准明确规定饮用水中氟的浓度应小于1mg/L。
目前常用的地下水中砷氟处理方法主要有吸附法、化学沉淀法、离子交换法、混凝法及膜分离法等，其中以吸附法最为常用，由于其方便高效，现已成为农村分散式供水的最佳选择。常用的砷氟吸附剂存在一个共同缺点：处理单砷或单氟能力较强，砷氟共去除效果不佳。
发明内容
本发明提供了一种用于处理地下水砷氟的二氧化钛颗粒吸附剂的制备方法，与传统的制备方法相比，本发明使用的二氧化钛颗粒制备工艺更为简单，产品吸附效率更高，并且操作过程更加便捷。
本发明主要包含两部分。第一部分是制备二氧化钛的前驱物，分为溶解钛的化合物、调节pH值及洗涤三个步骤，得到的产物为二氧化钛的前驱物，即偏钛酸浆液；第二部分是在偏钛酸浆液中加入粘合剂，在一定温度下搅拌混匀后，烘干造粒，最终得到二氧化钛颗粒吸附剂。
本发明涉及的二氧化钛颗粒吸附剂的制备方法，其特征如下：
步骤一：
(1)将反应容器置于冰水环境中，加入去离子水；
(2)将硫酸氧钛加入上述去离子水中，搅拌成均匀溶液；
(3)搅拌过程中逐滴加入氢氧化钠溶液，将pH调到4.5-7；
(4)将所得沉淀经水洗几次，得到偏钛酸浆液；
步骤二：
(5)将上述偏钛酸浆液约300-800g置于2L反应器中，水浴加热；
(6)在搅拌下，将约30-80mL粘合剂溶液加到上述浆液中，封口，继续反应；
(7)反应2-4h后，将反应器封口打开，保持水浴加热，至浆液趋于块状，将块状固体打碎后继续加热至形成颗粒；
(8)将所得颗粒过筛后于60℃干燥6-10h得到二氧化钛颗粒吸附剂。
本发明制备得到的二氧化钛颗粒吸附剂对地下水中砷氟等有毒物质去除效果较好，并且可以作为填充物制成滤柱，直接用于家庭饮用水装置，方便可行。
附图说明
图1是用聚乙烯醇(PVA)和羟乙基纤维素(HEC)对偏钛酸浆液粘合后的二氧化钛颗粒吸附动力学实验，初始砷浓度为67.1mg/L。分析图中实验数据可知，在1h时颗粒吸附已接近饱和，说明吸附比较迅速，可用于处理实际地下水。
图2是对聚乙烯醇(PVA)的添加量进行优化，横坐标为偏钛酸浆液与聚乙烯醇的质量比例，实验结果表明两者比例的变化对二氧化钛颗粒吸附剂吸附容量影响不大。
图3是对羟乙基纤维素(HEC)的添加量进行优化，横坐标为偏钛酸与羟乙基纤维素的质量比例，实验发现随着两者比例的增大(即羟乙基纤维素的添加量的减少)，二氧化钛颗粒吸附剂吸附容量逐渐降低，但总体变化不大。
图4考察了不同粘合剂以及吸附剂粒径大小对吸附效果的影响。实验结果表明，随吸附剂粒径增大，吸附效果成降低的趋势，这是由于比表面积降低造成的。三种粘合剂中，以硅酸钠制备的二氧化钛颗粒吸附剂吸附效果最好。
图5考察了偏钛酸浆液与不同粘合剂在固定比例下制备的二氧化钛颗粒与市场上销售的其他吸附剂对氟离子吸附进行了对比。实验结果表明，在9.64ppmF时，实验室制备的三种二氧化钛颗粒吸附剂对氟离子去除率达到50％以上，比三氧化二铝(Al2O3)颗粒和氧化铁颗粒(E33P)有明显提高，后两者去除率均在20％以下。
图6考察了制备的二氧化钛颗粒吸附剂对实际地下水(含有高浓度砷、氟以及少量其它重金属离子，如铜等)的处理效果。实验结果表明当吸附剂用量为6g/L时，处理后水中砷浓度低于10ug/L，氟浓度低于1mg/L，均达到饮用水要求。
具体实施方式
1.本发明二氧化钛颗粒吸附剂的制备过程实施例如下：
实施例1
将体积为10L的反应器置于冰水环境中，加入去离子水1800mL，水温为8℃。在剧烈搅拌下，取硫酸氧钛300g缓慢加入去离子水中。继续搅拌过程中，用恒流泵以10mL/min的速度滴加浓度为10mol/L的氢氧化钠溶液，调节pH为5.1。将上述溶液用去离子水洗涤8次至电导率降到89μs，上清液去除后即得到偏钛酸浆液。取偏钛酸浆液800g置于2L反应器中，90℃水浴加热搅拌，加入40mL 1g/L的聚乙烯醇(PVA)粘合剂溶液。之后将反应器封口，继续水浴加热搅拌3h后将封口打开，暴露于空气中以利于浆液中水份蒸发。当偏钛酸浆液趋于块状时，将块状物打碎成小颗粒，过筛后置于60℃烘箱8h，得到31g二氧化钛颗粒吸附剂。
实施例2
取已制备得到的偏钛酸浆液300g置于1L反应器中，90℃水浴加热搅拌，加入30mL 1g/L的羟乙基纤维素(HEC)粘合剂溶液。之后将反应器封口，继续水浴加热搅拌3h后将封口打开，暴露于空气中以利于浆液中水份蒸发。当偏钛酸浆液趋于块状时，停止搅拌，用玻璃棒将块状物打碎成小颗粒。当颗粒足够干燥后用研钵将大块颗粒磨碎形成小颗粒，过筛后于60℃干燥6h，得到10.3g二氧化钛颗粒吸附剂。
2.验证本发明二氧化钛颗粒吸附剂的吸附效果
取一系列质量的上述实施例1中制得的二氧化钛颗粒吸附剂于20个100mL塑料瓶中。取某农村实际地下水(含有高浓度砷、氟以及少量其它重金属离子，如铜等)，分别加入上述塑料瓶中，体积为100mL，置于旋转培养器上转动2h，转速为40rpm。最终吸附结果见图5。当二氧化钛颗粒吸附剂用量为6g/L时，处理后的地下水中砷浓度低于10ug/L，氟浓度低于1mg/L，砷氟均达到饮用水要求。
本发明所用试剂如下：
 试剂   纯度   产地
 氢氧化钠   分析纯   国药集团化学试剂公司
 硫酸氧钛   分析纯   上海迈坤化工有限公司
 聚乙烯醇(PVA)   分析纯   北京益利惊喜化学品有限公司
 羟乙基纤维素(HEC)   分析纯   北京化学试剂公司
 硅酸钠   分析纯   国药集团化学试剂公司

Claims (6)

1.一种二氧化钛颗粒吸附剂用于处理地下水砷氟的用途，其特征在于该二氧化钛颗粒吸附剂的制备方法如下：
步骤一：
(1)将反应容器置于冰水环境中，加入去离子水；
(2)将硫酸氧钛加入上述去离子水中，搅拌成均匀溶液；
(3)搅拌过程中逐滴加入氢氧化钠溶液，将pH调到4.5-7；
(4)将所得沉淀经水洗几次，得到偏钛酸浆液；
步骤二：
(5)将上述偏钛酸浆液300-800g置于2L反应器中，水浴加热；
(6)在搅拌下，将30-80mL粘合剂溶液加到上述浆液中，封口，继续反应；
(7)反应2-4h后，将反应器封口打开，保持水浴加热，至浆液趋于块状，将块状固体打碎后继续加热至形成颗粒；
(8)将所得颗粒过筛后于烘箱中干燥后得到二氧化钛颗粒吸附剂；
所述粘合剂为Na2SiO3。
2.如权利要求1所述的用途，在加硫酸氧钛前去离子水温度需保持在5℃。
3.如权利要求1所述的用途，去离子水与硫酸氧钛的质量比为5∶1。
4.如权利要求1所述的用途，用氢氧化钠溶液调节pH到5。
5.如权利要求1所述的用途，水浴加热温度为90℃。
6.如权利要求1所述的用途，所述干燥为60℃烘箱干燥6-8h。
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