CN103058315B - 一种塔式吸附反应器及其去除水中重金属离子的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种塔式吸附反应器及其去除水中重金属离子的系统和方法，属于水处理领域。一种塔式吸附反应器包括塔身、布水器[5]和集水器[8]，还包括螺旋式多孔褶板[7]和纤维吸附材料[12]，布水器[5]位于塔内顶端，塔身内有螺旋式多孔褶板[7]，螺旋式多孔褶板[7]的凹槽内覆有纤维吸附材料[12]，集水器[8]在塔内底部，系统包括以单个或多个并联的塔式吸附反应器，去除水中重金属离子的方法，依次通过进水、吸附出水、纤维脱附、脱附流出液回用和纤维再生，吸附出水中重金属离子浓度低于国家饮用水卫生标准重金属离子浓度限值，纤维吸附饱和后经过原位脱附、再生，可重复使用，本系统结构简单，操作便捷，运行稳定，能够快速去除水中多种重金属离子。
Description
技术领域
本发明涉及一种快速去除水源水中重金属离子的系统及方法，更具体的说是一种塔式吸附反应器及其去除水中重金属离子的系统和方法。
背景技术
我国每年发生的水污染突发事件高达60余起，其中重金属污染就占一半以上。由于重金属对人体健康有极大的威胁。目前文献报道的水中重金属离子去除方法主要有活性炭吸附法、膜法、化学沉淀法和树脂吸附法，这些方法在应用过程中存在以下问题：1）活性炭作为一种传统的饮用水深度处理技术在国内水厂得到较多的应用，然而活性炭对重金属离子的吸附容量较低，其吸附容量仅为40-50毫克/克，且活性炭对重金属离子的吸附速率也较低，无法满足快速处置的要求，另外活性炭吸附饱和后不易再生，无法重复使用；2）膜滤法可以有效去除水中各类污染物质，是水处理领域常用技术之一，但膜滤装置投资、运行费用较高，不适宜大水量处理与应用，且膜污染的问题没有得到根本解决；3）化学沉淀法可以快速去除水中重金属离子，已经在水污染应急处置中得到应用，但是化学沉淀法对于低浓度重金属离子去除效果不佳，且在处置过程中需要添加药剂，会改变水质，在处置后会产生大量含重金属的污泥不易处理；4）树脂吸附技术作为国外饮用水深度处理的主流技术目前正在国内进行积极的推广，然而无论是固定床吸附工艺还是混合式反应器，都存在着设备繁冗、操作流程复杂的不足。
现有公开专利中的应急处理重金属污染的方法主要为磁性树脂吸附法和混凝/化学沉淀法，上述方法虽然有自身的优势并已经应用在去除水中重金属离子，但是在实际应用过程中依然存在一些不足，需要改进和提高。比如基于磁性树脂吸附为核心的技术，中国专利申请，名称：一种铁、锰超标水源水的应急预处理系统及其处理方法，公开号：CN102107965A；中国专利申请，名称：一种基于分体式水力循环反应器的水中重金属离子快速去除系统与方法，公开号：CN102603100，都采用磁性树脂吸附去除水中重金属离子，但是仍然存在不足之处：吸附后的磁性树脂需要进行固液分离，因此系统中必须设有足够大的树脂沉降分离区，不仅增加了设备投资，且树脂沉降时间延长了处理周期；磁性树脂粒径较小，虽然包含有磁性氧化铁颗粒易于沉降，但是随着处理周期的增加，不可避免的存在着磁性树脂破碎、磁性减弱的现象，因此随着使用周期的增加，树脂流失现象会逐渐加重；磁性树脂吸附后的再生通常需要通过转移到再生罐中脱附、再生，在树脂转运过程中需要蠕动泵输送，这在一定程度上加快了磁性树脂的破碎、磨损；基于混凝/化学沉淀为核心的技术，比如中国专利申请名称：一种利用导流明渠应急处理铁、锰超标水体的方法，公开号：CN101905920，利用导流明渠投加药剂进行混凝/化学沉淀法进行重金属污染治理，虽然实现污染的原位处置，但是存在以下的不足：不仅占地面积过大，且需要建截流坝、溢流坝、开挖导流明渠，工程量极大，不适宜水厂应用；混凝/化学沉淀产生的大量废渣不易处理，容易导致后续环境问题，大量药剂的投加会造成水质变化，如pH值增加、浊度增加。
因此开发出占地面积小、处理效率高，且无二次污染的重金属污染应急处理系统和方法具有重要的实际意义。
发明内容
发明要解决的技术问题
针对现有水中重金属离子快速去除系统体积大，以及树脂的破碎、磨损和后续环境问题等缺陷，本发明提供一种塔式吸附反应器及其去除水中重金属离子的系统和方法，利用塔式吸附反应器和内部纤维吸附材料，快速吸附去除水源水中的重金属离子，并通过原位脱附再生实现纤维吸附材料的重复使用。
技术方案
发明原理：本发明利用塔式吸附反应器占地面积小、结构简单的特点，通过塔式吸附反应器中的螯合纤维快速吸附去除水中重金属离子。
一种塔式吸附反应器，其包括塔身、布水器、螺旋式多孔褶板、纤维吸附材料和集水器，布水器位于塔内顶端，塔身内有螺旋式多孔褶板，螺旋式多孔褶板的凹槽内覆有纤维吸附材料，集水器在塔内底部。
一种去除水中重金属离子的系统，包括单个或多个并联的塔式吸附反应器、脱附剂配制槽、再生剂配制槽、管路、反渗透膜滤装置和减压蒸馏器，所述塔式吸附反应器脱附剂进口与脱附剂配制槽出口通过管路相连，塔式吸附反应器再生剂进口与再生剂配制槽相连，塔式吸附反应器脱附流出液出口与反渗透膜滤装置进口相连，反渗透膜滤装置的膜滤浓缩液出口和膜滤出水口分别与减压蒸馏器和脱附剂配制槽相连。
所述的吸附材料为南京大学申请的中国专利，名称： 一种胺修饰的纤维状应急吸附材料及其制备方法，专利公开号：CN102489268A。
一种去除水中重金属离子的方法，其步骤包括：
步骤1、进水：打开进水口阀门，水样经布水器进入塔式吸附反应器；
步骤2、吸附出水：打开出水口阀门，水样与塔式吸附反应器内螺旋式多孔褶板上的纤维吸附材料充分接触，重金属离子被吸附去除，吸附出水经塔式吸附反应器出水口流出；
步骤3. 纤维脱附：关闭进水口/出水口阀门，打开脱附剂进口阀门，脱附剂经布水器喷洒至螺旋式多孔褶板上的纤维吸附材料，最后被底部集水器收集；
步骤4. 脱附流出液回用：打开脱附流出液出口阀门，集水器中的脱附流出液进入反渗透膜滤装置，反渗透膜滤出水回流至脱附剂配制槽套用，反渗透膜虑浓缩液进入蒸馏器减压蒸馏；
步骤5. 纤维再生：打开再生剂进口，再生剂经布水器喷洒至螺旋式多孔褶板上的纤维吸附材料，最后被底部集水器收集；纤维再生过程结束后，打开再生流出液出口阀门，再生流出液回到再生剂配制槽套用。
有益效果
（1）吸附反应器采用塔式结构，具有占地面积小的优点；
（2）塔式吸附反应器内使用胺修饰的纤维状应急吸附材料，吸附速率快、吸附容量大，且不存在吸附材料破碎、流失和堵塞的问题；
（3）螺旋式多孔褶板凹槽可以防止纤维吸附材料滑落，进水流量小时，水样受重力作用依次经螺旋式多孔褶板上层凹槽内的纤维材料吸附后通过褶板孔均匀撒落到下层褶板，再次与下层褶板凹槽内的纤维材料充分接触吸附，形成多层吸附，从而保证较好的吸附效果；而当进水流量大时，一部分水样受重力作用顺螺旋式多孔褶板自上而下旋流入集水器，这一过程极大地增加了水样和褶板凹槽内的纤维吸附接触时间，从而保证较好的吸附效果。且整个过程主要依靠水流自身重力，动力消耗低；进水流量小时水流示意如图5所示，如果进水流量大时水流示意如图6所示。
（4）通过塔式反应器内的纤维吸附，在去除水中重金属离子的同时不改变水质，也不产生废渣；
（5）通过酸溶液原位脱附以及碱溶液原位再生，使得吸附后的纤维无需转移, 可以在塔式吸附反应器内重复使用，且脱附液经反渗透膜滤装置处理后套用。
说明书附图
图1 为本发明塔式吸附反应器结构示意图。
图2为本发明的系统总体结构示意图。
图3为本发明的方法流程图。
图4 实施例1中塔式吸附反应器结构示意图。
图5进水流量小时塔式吸附反应器内螺旋式多孔褶板水流示意图。
图6进水流量大时塔式吸附反应器内螺旋式多孔褶板水流示意图。
图7实施例1中吸附出水中重金属离子浓度（横坐标表示吸附出水体积，单位为升；纵坐标为吸附出水重金属离子浓度，单位为毫克/升）的研究实验结果。
图8实施例2中吸附出水中重金属离子浓度（横坐标表示吸附出水体积，单位为升；纵坐标为吸附出水重金属离子浓度，单位为毫克/升）的研究实验结果。
图9实施例3中吸附出水中重金属离子浓度（横坐标表示吸附出水体积，单位为升；纵坐标为吸附出水重金属离子浓度，单位为毫克/升）的研究实验结果。
图10实施例4中吸附出水中重金属离子浓度（横坐标表示吸附出水体积，单位为升；纵坐标为吸附出水重金属离子浓度，单位为毫克/升）的研究实验结果。图中标注：1-进水口；2-脱附剂进口；3-再生剂进口；4-通风口；5-布水器；6-观察窗；7-螺旋式多孔褶板；8-集水器；9-脱附流出液出口；10-出水口；11-再生流出液出口；12- 纤维吸附材料；13-塔式吸附反应器；14-反渗透膜滤装置；15-脱附剂配制槽；16-再生剂配制槽；17-减压蒸馏器；18-进水；19-脱附剂；20-再生剂；21-吸附出水；22-脱附流出液；23-膜滤浓缩液；24-膜滤出水；25-再生流出液。
具体实施方式
以下通过实施例进一步说明本发明。
实施例1
如图1所示，塔式吸附反应器，其包括塔身、布水器5、螺旋式多孔褶板7、纤维吸附材料12和集水器8，布水器5位于塔内顶端，塔身内有螺旋式多孔褶板7，螺旋式多孔褶板7的凹槽内覆有纤维吸附材料12，集水器8在塔内底部。所述塔身还设置观察窗6，布水器5上方还设置有通风口4，塔身上端分别设置进水口1、脱附剂进口2和再生剂进口3，且与布水器相连，塔身底部分别设置脱附流出液出口9、出水口10和再生流出液出口11，且与集水器8相连，塔身为圆形。实施例1中去除水中重金属离子的系统，如图2和3所示，包括上述塔式吸附反应器13（布水器位于塔内顶端，塔身内有螺旋式多孔褶板，多孔褶板凹槽内覆有纤维吸附材料12，集水器在塔内底部）、脱附液配制槽15、再生液配制槽16、反渗透膜滤装置（反渗透膜滤系统）14和减压蒸馏器17，所述塔式吸附反应器脱附剂进口2与脱附剂配制槽15出口通过管路相连，塔式吸附反应器再生剂进口3与再生剂配制槽16相连，塔式吸附反应器脱附流出液出口9与反渗透膜滤装置14进口相连，反渗透膜滤装置14的膜滤浓缩液出口和膜滤出水口分别与减压蒸馏器17和脱附剂配制槽15相连。
具体实施例中水源水用河水加入硝酸镍、硝酸铜、硝酸铅和硝酸镉配制，水样中重金属离子浓度如表1所示：
表1 进水水质
| 镍离子（mg/L） | 铜离子（mg/L） | 铅离子（mg/L） | 镉离子（mg/L） | |
| 进水水质 | 4.4 | 6.5 | 5.5 | 4.3 |
如图4所示，实施例所用塔式吸附反应器材质为聚丙烯，高1.0米、内直径0.4米，布水器直径0.35米，螺旋式多孔褶板有6层，多孔褶板凹槽内有纤维材料，厚度为0.05米。脱附剂配制槽内直径0.4米，高0.8米；再生剂配制槽内直径0.4米，高0.8米。运行过程中采用两塔并联模式，Ⅰ塔与Ⅱ塔交替进行吸附/脱附再生，持续运行。
打开Ⅰ塔进水口阀门，水样经布水器进入Ⅰ塔；
吸附操作：进水18水质指标如表1，进水流量为0.05升/秒，水样与塔式吸附反应器内螺旋式多孔褶板上的纤维吸附材料充分接触，重金属离子被吸附去除，吸附出水经塔式吸附反应器出水口流出，当吸附出水21中任意一种重金属离子浓度超过国家饮用水卫生标准时，关闭Ⅰ塔进水与出水口阀门，同时打开Ⅱ塔进水启用Ⅱ塔吸附；
脱附操作：打开Ⅰ塔脱附剂进口阀门，脱附剂为pH=2.5左右的盐酸溶液，脱附剂用量为60升左右，脱附剂流量为0.02升/秒，脱附剂经布水器喷洒至螺旋式多孔褶板上的纤维吸附材料，最后被底部集水器收集，打开脱附流出液出口阀门；
脱附流出液再生操作：脱附流出液22进入反渗透膜滤装置14，压力为5bar，膜滤出水24（约占脱附液体积的70-80%）进入脱附剂配制槽15用于配制下一批次脱附剂19，而膜滤浓缩液23（约占脱附液体积的20-30%）则进入减压蒸馏器17蒸馏（温度125,压强1900帕）。
再生操作：Ⅰ塔脱附结束后，打开再生剂进口，立即用再生剂对Ⅰ塔进行再生，再生剂经布水器喷洒至螺旋式多孔褶板上的纤维吸附材料，再生剂为0.01mol/L的氢氧化钠溶液，用量为40升左右，再生剂流量为0.02升/秒, 最后被底部集水器收集，纤维再生过程结束后，打开再生流出液出口阀门，再生流出液25进入再生剂配制槽16用于配制下一批次再生剂20，再生后的Ⅰ塔等Ⅱ塔进入脱附阶段时重新进入吸附工作阶段。
结果表明单塔可以连续处理60000升水，双塔并联模式下两塔交替吸附-脱附再生，可实现系统不间断运行，出水水质如图7所示，有效控制吸附出水中重金属离子浓度低于国家饮用水卫生标准中重金属离子浓度限值。
实施例2
所用系统、进水水质与操作条件同实施例1，塔身为方形，但进水流量增至0.1升/秒，处理后出水水质见下图8。结果表明单塔可以连续处理45000升水，双塔并联模式下两塔交替吸附-脱附再生，可实现系统不间断运行，有效控制吸附出水中重金属离子浓度低于国家饮用水卫生标准中重金属离子浓度限值。
实施例3
所用系统、进水水质与操作条件同实施例1，但多孔褶板凹槽内纤维材料厚度为0.04米，处理后出水水质见下图9。结果表明单塔可以连续处理43000升水，双塔并联模式下两塔交替吸附-脱附再生，可实现系统不间断运行，有效控制吸附出水中重金属离子浓度低于国家饮用水卫生标准中重金属离子浓度限值。
实施例4：
所用系统、进水水质与操作条件同实施例1，但塔式吸附反应器材质为内有耐酸涂层（玻璃布）的钢材料，出水水质见下图10。结果表明单塔可以连续处理60000升水，双塔并联模式下两塔交替吸附-脱附再生，可实现系统不间断运行，有效控制吸附出水中重金属离子浓度低于国家饮用水卫生标准中重金属离子浓度限值。
上述实施例结果表明：
（1）该系统与方法可以有效去除水源水中重金属离子，出水重金属离子浓度低于国家饮用水卫生标准中重金属离子浓度限值，系统结构简单、运行稳定；
（2）进水流量对吸附效果有影响，流量低有利于吸附，流量高不利于吸附，但是在实验流量范围内，系统依然保持较好的出水水质；
（3）相同操作条件时，塔式吸附反应器内纤维材料越多则吸附出水水质越好，但是在实验流量范围内，系统依然保持较好的出水水质。
Claims (7)
1.一种塔式吸附反应器，其特征在于，包括塔身、布水器[5]和集水器[8]，其特征在于，还包括螺旋式多孔褶板[7]和纤维吸附材料[12]，布水器[5]位于塔内顶端，塔身内有螺旋式多孔褶板[7]，螺旋式多孔褶板[7]的凹槽内覆有纤维吸附材料[12]，集水器[8]在塔内底部。
2.根据权利要求1所述塔式吸附反应器，其特征在于，所述塔身还设置观察窗[6]，布水器[5]上方还设置有通风口[4]，塔身上端分别设置进水口[1]、脱附剂进口[2]和再生剂进口[3]，且与布水器[5]相连，塔身底部分别设置脱附流出液出口[9]、出水口[10]和再生流出液出口[11]，且与集水器[8]相连。
3.一种去除水中重金属离子的系统，包括单个或多个并联的塔式吸附反应器[13]、脱附剂配制槽[15]、再生剂配制槽[16]、管路、反渗透膜滤装置[14]和减压蒸馏器[17]，所述塔式吸附反应器脱附剂进口[2]与脱附剂配制槽出口通过管路相连，塔式吸附反应器再生剂进口[3]与再生剂配制槽相连，塔式吸附反应器脱附流出液出口[9]与反渗透膜滤装置进口相连，反渗透膜滤装置的膜滤浓缩液出口和膜滤出水口分别与减压蒸馏器[17]和脱附剂配制槽[15]相连；所述塔式吸附反应器包括塔身、布水器[5]、集水器[8]、螺旋式多孔褶板[7]和纤维吸附材料[12]，布水器[5]位于塔内顶端，塔身内有螺旋式多孔褶板[7]，螺旋式多孔褶板[7]的凹槽内覆有纤维吸附材料[12]，集水器[8]在塔内底部。
4.根据权利要求2所述塔式吸附反应器去除水中重金属离子的方法包括：
步骤1、进水：打开进水口阀门，水样经布水器进入塔式吸附反应器；
步骤2、吸附出水：打开出水口阀门，水样与塔式吸附反应器内螺旋式多孔褶板上的纤维吸附材料充分接触，重金属离子被吸附去除，吸附出水经塔式吸附反应器出水口流出；
步骤3、 纤维脱附：关闭进水口/出水口阀门，打开脱附剂进口阀门，脱附剂经布水器喷洒至螺旋式多孔褶板上的纤维吸附材料，最后被底部集水器收集；
步骤4、 脱附流出液回用：打开脱附流出液出口阀门，集水器中的脱附流出液进入反渗透膜滤装置，反渗透膜滤出水回流至脱附剂配制槽套用，反渗透膜虑浓缩液进入蒸馏器减压蒸馏；
步骤5、纤维再生：打开再生剂进口，再生剂经布水器喷洒至螺旋式多孔褶板上的纤维吸附材料，最后被底部集水器收集；纤维再生过程结束后，打开再生流出液出口阀门，再生流出液回到再生剂配制槽套用。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征是：所述进水的进水流量为0.05-0. 1升/秒；所述螺旋式多孔褶板凹槽内有纤维吸附材料，厚度为0.04-0.05米。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征是：所述步骤3中的脱附剂为pH=2.5的盐酸溶液，脱附剂流量为0.02升/秒。
7.根据权利要求4或5所述的方法，其特征是：所述步骤5中的再生剂是浓度为0.01mol/L的氢氧化钠溶液，再生剂流量为0.02升/秒。
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