CN104478155A - 一种利用纳米磁性壳聚糖和铁粉复合除砷的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用纳米磁性壳聚糖和铁粉复合除砷的装置，包括主体、进水单元、复合除砷单元、初步分离单元、出水单元、再生和回流单元；所述进水单元设于主体上部，所述进水单元包括进水管以及与进水管连通的磁性壳聚糖和铁粉投加口；所述复合除砷单元设于主体中部，并设置有非金属搅拌装置；所述初步分离单元设于主体下部，包括分离装置以及设于分离装置上的滤膜和滤膜下方的脉冲气洗装置；所述出水单元与分离单元直接连接。该装置结构紧凑、占地面积小、使用方便、运行灵活、适用范围广，可较好地保障地下水中砷的去除效果及整体出水水质，具有较好的推广应用前景。

Description

一种利用纳米磁性壳聚糖和铁粉复合除砷的装置
技术领域
本发明属于水处理领域，特别涉及一种利用纳米磁性壳聚糖和铁粉复合除砷的装置。
背景技术
通过饮用水途径摄入过量的砷后而导致的砷中毒，是世界范围内普遍存在的严重问题。而中国的地下水砷污染问题更加突出，据不完全统计，目前涉及人口2000余万。
壳聚糖作为由天然材料所衍生的一种水处理材料近期广受关注，除砷是其一个重要的应用研究领域。壳聚糖对砷化物的去除效果与其表面的氨基含量具有直接的比例关系，而可利用氨基的数量与壳聚糖颗粒的表面积成正比例关系。因此为强化其对水中砷的去除效能，常常采用降低壳聚糖粒径增加其比表面积的方式，很多情况下需要采用纳米的壳聚糖颗粒来强化砷的去除。然而纳米级壳聚糖在实际应用中存在的最大问题是后续分离的问题。
磁性壳聚糖作为近期发展起来的一种新型壳聚糖应用形式受到广泛关注，为提升其去除效果也常采用纳米级颗粒，其同样存在分离困难的问题，需要一种新型的分离方法。此外，在处理效能上尚需进一步强化。
针对目前壳聚糖去除地下水中砷的基本现状，需要研发一种新型基于磁性壳聚糖除砷材料的强化除砷装置，同时有利于纳米磁性壳聚糖的有效分离。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种除砷效果好、易于分离纳米磁性壳聚糖的复合除砷的装置。
技术方案：本发明提供了一种利用纳米磁性壳聚糖和铁粉复合除砷的装置，包括主体、进水单元、复合除砷单元、初步分离单元、出水单元、再生和回流单元；所述进水单元设于主体上部，所述进水单元包括进水管以及与进水管连通的磁性壳聚糖和铁粉投加口；所述复合除砷单元设于主体中部，并设置有非金属搅拌装置；所述初步分离单元设于主体下部，包括分离装置以及设于分离装置上的滤膜和滤膜下方的脉冲气洗装置；所述出水单元与分离单元直接连接。
作为改进，所述复合除砷单元中，水力停留时间控制在30min～2h；投加的磁性壳聚糖和铁粉的质量比为1：1～5:1，且磁性壳聚糖和铁粉的总浓度为1-10g/L。
作为另一种改进，所述非金属搅拌装置由PVC或非铁质材料制成。
作为另一种改进，分离装置为平行设置的2组以上孔径为2-50μm的平面网状截留装置，且每组截留装置呈倾斜设置，倾斜角为100～150°。
作为另一种改进，脉冲气洗装置的气洗强度为10-30L/m2.s、脉冲周期设置为10s～10min。
作为另一种改进，初步分离单元的顶部设有电磁阀。
作为另一种改进，所述出水单元为L形弯管，其底部分别设置出水口和进气口，其内部填充粒径10-30目的铁粉作为滤层，滤层厚度为0.2-0.5m，滤速为3-8m/h。
作为另一种改进，还包括再生和回流单元，包括依次链接的储存罐和再生罐，与主体相对独立设置；主体中部自上而下依次设有进料管和废料管，分别与再生和回流单元的储存罐和再生罐连接。
本发明还提供了一种利用上述装置除砷的方法，包括以下步骤：将磁性壳聚糖、铁粉和待处理水通入进水单元中，在进水单元中混合后进入复合除砷单元，在复合除砷单元内混合后，铁粉、纳米磁性壳聚糖等物质充分粘附在一起，形成较大的、易截留的颗粒,经初步分离单元分离后，再经出水单元中的滤层过滤，待处理水经出水单元的滤层过滤后流出。
有益效果：本发明提供的组合除砷装置结构紧凑、占地面积小、使用方便、运行灵活、适用范围广，可较好地保障地下水中砷的去除效果及整体出水水质，具有较好的推广应用前景。
具体而言，本发明相对于现有技术具有以下突出的优势：
(1)本发明装置除砷效果好、易于分离纳米磁性壳聚糖。一方面，本发明通过采用具磁性的纳米级壳聚糖颗粒作为基本的除砷材料，从而较好地保障了砷的去除效果；另一方面，本发明又创新性地将铁粉引入到系统中，使铁粉、纳米磁性壳聚糖等物质充分粘附在一起，形成较大的、易截留的颗粒，便于本发明装置初步分离单元的高效分离并可确保其截留效能；同时，铁粉的加入在改善壳聚糖分离效果的同时，可以有效利用磁性壳聚糖的磁性来改善零价铁对砷的去除效果，进一步强化装置的整体处理效能，改善装置出水。
(2)该装置的纳米磁性壳聚糖除砷单元中采用搅拌单元来进行系统的搅拌，从而在保证搅拌效果的同时，并可通过周期性的改变转速来实现水流对零价铁表面的冲击作用，及时将表面形成的物质剥离，从而保持零价铁的高效除砷能力，可在一定程度上强化水中砷的去除效果。
(3)该装置的初步分离单元根据颗粒粒径所优选的截留孔径范围设定，可有效保障其对纳米壳聚糖、铁粉所形成的粘结体的截留效能，同时可保证其基本的过水能力；初步分离单元所设置的滤布或滤膜可设置成装卸型以利于及时的更换；分离单元下方设置的脉冲气冲洗装置可及时地将粘附于初步过滤单元滤膜上的颗粒冲洗掉并重新回到砷去除单元中，并可显著降低气冲所带来的能耗。
(4)该装置的出水单元中根据磁性壳聚糖颗粒的基本特性，设置了铁粉过滤单元，从而可以进一步降低出水中纳米级二氧化钛出现的几率，有效规避了纳米材料应用中所带来的健康风险；出水单元中针对铁粉过滤层的反冲洗装置的设置巧妙地利用所设置电磁阀的开闭来实现滤层内截留纳米壳聚糖的重新回流至砷去除主体单元中，又可利用反冲洗后段较清洁的水、气来实现分离单元中滤膜的冲洗。
(5)该装置可通过调节再生和回流的比例来调整装置对砷的处理效果，对于水质变化较大的原水具有较好的适应性。
(6)该装置的再生单元通过连续的将使用后的磁性壳聚糖和铁粉同步进行再生过程，达到对磁性壳聚糖和铁粉的同步再生，从而确保系统整体的去除效果。
(7)该装置的初步分离单元中创新性地将滤膜倾斜设置，从而即避免了水平设置时水流方向与截留物质滑落方向截然相反，容易出现滤膜堵塞，过膜压力急剧增加的缺陷，又可充分滤膜下部的脉冲曝气装置将截留物质冲洗回主体溶液，还可以对除砷单元中的水流方向起到引导的作用，从而确保了整个装置的顺利运行。
附图说明
图1为本发明利用纳米磁性壳聚糖和铁粉复合除砷的装置的结构示意图。
具体实施方
下面结合附图对本发明利用纳米磁性壳聚糖和铁粉复合除砷的装置做出进一步说明。
利用纳米磁性壳聚糖和铁粉复合除砷的装置，见图1，包括主体1、进水单元2、复合除砷单元3、初步分离单元4、出水单元5、再生和回流单元6。
进水单元2设于主体1上部，进水单元包括进水管21以及与进水管21连通的磁性壳聚糖和铁粉投加口22。
复合除砷单元3设于主体1中部，并设置有非金属搅拌装置31；非金属搅拌装置31由PVC或非铁质材料制成。
初步分离单元4设于主体1下部，包括分离装置41以及设于分离装置41上的滤膜42和滤膜下方的脉冲气洗装置43；初步分离单元4的顶部设有电磁阀44。
出水单元5与分离单元4直接连接；出水单元5为L形弯管，其底部分别设置出水口和进气口，其内部填充粒径10-30目的铁粉作为滤层。
还包括再生和回流单元6，包括依次链接的储存罐和再生罐，与主体1相对独立设置；主体1中部自上而下依次设有进料管13和废料管14，分别与再生和回流单元6的储存罐和再生罐连接。
该装置在使用时，主要包括以下步骤：
(1)将磁性壳聚糖、铁粉和待处理水通入进水单元2中，在进水单元2中混合后进入复合除砷单元3，在复合除砷单元3内混合后，铁粉、纳米磁性壳聚糖等物质充分粘附在一起，形成较大的、易截留的颗粒,经初步分离单元4分离后，再经出水单元5中的滤层过滤，待处理水经出水单元5的滤层过滤后流出。；
(2)复合除砷单元3内的磁性壳聚糖、铁粉混合颗粒经废料管流到再生单元内，经过5-10％氢氧化钠溶液再生、清洗干净后，转移至储存罐，并通过泵将再生后混合颗粒回流至复合除砷单元3内。经过连续的再生、回流保持系统对砷的高效去除。
为验证该装置的效能，在内蒙古利用某水厂实际原水进行了相关的效能验证。试验期间的水质情况如表1所示。
表1原水水质参数检测结果
通过采用不同的参数设置，验证水处理效果，该装置运行参数见表2。
表2运行参数
检测处理后水质，结果见3。
表3处理出水水质参数检测结果

Claims (9)

1.一种利用纳米磁性壳聚糖和铁粉复合除砷的装置，其特征在于：包括主体(1)、进水单元(2)、复合除砷单元(3)、初步分离单元(4)、出水单元(5)、再生和回流单元(6)；所述进水单元(2)设于主体(1)上部，所述进水单元包括进水管(21)以及与进水管(21)连通的磁性壳聚糖和铁粉投加口(22)；所述复合除砷单元(3)设于主体(1)中部，并设置有非金属搅拌装置(31)；所述初步分离单元(4)设于主体(1)下部，包括分离装置(41)以及设于分离装置(41)上的滤膜(42)和滤膜下方的脉冲气洗装置(43)；所述出水单元(5)与分离单元(4)直接连接。
2.根据权利要求1所述的利用纳米磁性壳聚糖和铁粉复合除砷的装置，其特征在于：所述复合除砷单元(3)中，水力停留时间控制在30min～2h；投加的磁性壳聚糖和铁粉的质量比为1：1～5:1，且磁性壳聚糖和铁粉的总浓度为1-10g/L。
3.根据权利要求1所述的利用纳米磁性壳聚糖和铁粉复合除砷的装置，其特征在于：所述非金属搅拌装置(31)由PVC或非铁质材料制成。
4.根据权利要求1所述的利用纳米磁性壳聚糖和铁粉复合除砷的装置，其特征在于：分离装置(41)为平行设置的2组以上孔径为2-50μm的平面网状截留装置，且每组截留装置呈倾斜设置，倾斜角为100～150°。
5.根据权利要求1所述的利用纳米磁性壳聚糖和铁粉复合除砷的装置，其特征在于：脉冲气洗装置(43)的气洗强度为10-30L/m2.s、脉冲周期设置为10s～10min。
6.根据权利要求1所述的利用纳米磁性壳聚糖和铁粉复合除砷的装置，其特征在于：初步分离单元(4)的顶部设有电磁阀(44)。
7.根据权利要求1所述的利用纳米磁性壳聚糖和铁粉复合除砷的装置，其特征在于：所述出水单元(5)为L形弯管，其底部分别设置出水口和进气口，其内部填充粒径10-30目的铁粉作为滤层，滤层厚度为0.2-0.5m，滤速为3-8m/h。
8.根据权利要求1所述的利用纳米磁性壳聚糖和铁粉复合除砷的装置，其特征在于：还包括再生和回流单元(6)，包括依次链接的储存罐和再生罐，与主体(1)相对独立设置；主体(1)中部自上而下依次设有进料管(11)和废料管(11)，分别与再生和回流单元(6)的储存罐和再生罐连接。
9.一种利用权利要求1至8任一项装置除砷的方法，其特征在于：包括以下步骤：将磁性壳聚糖、铁粉和待处理水通入进水单元(2)中，在进水单元(2)中混合后进入复合除砷单元(3)，在复合除砷单元(3)内混合后，铁粉、纳米磁性壳聚糖等物质充分粘附在一起，形成较大的、易截留的颗粒,经初步分离单元(4)分离后，再经出水单元(5)中的滤层过滤，待处理水经出水单元(5)的滤层过滤后流出。
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