專利名稱：一種塔式吸附反應(yīng)器及其去除水中重金屬離子的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種快速去除水源水中重金屬離子的系統(tǒng)及方法，更具體的說是一種塔式吸附反應(yīng)器及其去除水中重金屬離子的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
我國每年發(fā)生的水污染突發(fā)事件高達60余起，其中重金屬污染就占一半以上。由于重金屬對人體健康有極大的威脅。目前文獻報道的水中重金屬離子去除方法主要有活性炭吸附法、膜法、化學(xué)沉淀法和樹脂吸附法，這些方法在應(yīng)用過程中存在以下問題1)活性炭作為一種傳統(tǒng)的飲用水深度處理技術(shù)在國內(nèi)水廠得到較多的應(yīng)用，然而活性炭對重金屬離子的吸附容量較低，其吸附容量僅為40-50毫克/克，且活性炭對重金屬離子的吸附速率也較低，無法滿足快速處置的要求，另外活性炭吸附飽和后不易再生，無法重復(fù)使用；2)膜濾法可以有效去除水中各類污染物質(zhì)，是水處理領(lǐng)域常用技術(shù)之一，但膜濾裝置投資、運行費用較高，不適宜大水量處理與應(yīng)用，且膜污染的問題沒有得到根本解決；3)化學(xué)沉淀法可以快速去除水中重金屬離子，已經(jīng)在水污染應(yīng)急處置中得到應(yīng)用，但是化學(xué)沉淀法對于低濃度重金屬離子去除效果不佳，且在處置過程中需要添加藥劑，會改變水質(zhì)，在處置后會產(chǎn)生大量含重金屬的污泥不易處理；4)樹脂吸附技術(shù)作為國外飲用水深度處理的主流技術(shù)目前正在國內(nèi)進行積極的推廣，然而無論是固定床吸附工藝還是混合式反應(yīng)器，都存在著設(shè)備繁冗、操作流程復(fù)雜的不足。現(xiàn)有公開專利中的應(yīng)急處理重金屬污染的方法主要為磁性樹脂吸附法和混凝/化學(xué)沉淀法，上述方法雖然有自身的優(yōu)勢并已經(jīng)應(yīng)用在去除水中重金屬離子，但是在實際應(yīng)用過程中依然存在一些不足，需要改進和提高。比如基于磁性樹脂吸附為核心的技術(shù)，中國專利申請，名稱一 種鐵、錳超標(biāo)水源水的應(yīng)急預(yù)處理系統(tǒng)及其處理方法，公開號CN102107965A;中國專利申請，名稱一種基于分體式水力循環(huán)反應(yīng)器的水中重金屬離子快速去除系統(tǒng)與方法，公開號CN102603100，都采用磁性樹脂吸附去除水中重金屬離子，但是仍然存在不足之處吸附后的磁性樹脂需要進行固液分離，因此系統(tǒng)中必須設(shè)有足夠大的樹脂沉降分離區(qū)，不僅增加了設(shè)備投資，且樹脂沉降時間延長了處理周期；磁性樹脂粒徑較小，雖然包含有磁性氧化鐵顆粒易于沉降，但是隨著處理周期的增加，不可避免的存在著磁性樹脂破碎、磁性減弱的現(xiàn)象，因此隨著使用周期的增加，樹脂流失現(xiàn)象會逐漸加重；磁性樹脂吸附后的再生通常需要通過轉(zhuǎn)移到再生罐中脫附、再生，在樹脂轉(zhuǎn)運過程中需要蠕動泵輸送，這在一定程度上加快了磁性樹脂的破碎、磨損；基于混凝/化學(xué)沉淀為核心的技術(shù)，比如中國專利申請名稱一種利用導(dǎo)流明渠應(yīng)急處理鐵、錳超標(biāo)水體的方法，公開號CN101905920，利用導(dǎo)流明渠投加藥劑進行混凝/化學(xué)沉淀法進行重金屬污染治理，雖然實現(xiàn)污染的原位處置，但是存在以下的不足不僅占地面積過大，且需要建截流壩、溢流壩、開挖導(dǎo)流明渠，工程量極大，不適宜水廠應(yīng)用；混凝/化學(xué)沉淀產(chǎn)生的大量廢渣不易處理，容易導(dǎo)致后續(xù)環(huán)境問題，大量藥劑的投加會造成水質(zhì)變化，如PH值增加、濁度增加。
因此開發(fā)出占地面積小、處理效率高，且無二次污染的重金屬污染應(yīng)急處理系統(tǒng)和方法具有重要的實際意義。
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的技術(shù)問題
針對現(xiàn)有水中重金屬離子快速去除系統(tǒng)體積大，以及樹脂的破碎、磨損和后續(xù)環(huán)境問題等缺陷，本發(fā)明提供一種塔式吸附反應(yīng)器及其去除水中重金屬離子的系統(tǒng)和方法，利用塔式吸附反應(yīng)器和內(nèi)部纖維吸附材料，快速吸附去除水源水中的重金屬離子，并通過原位脫附再生實現(xiàn)纖維吸附材料的重復(fù)使用。技術(shù)方案
發(fā)明原理本發(fā)明利用塔式吸附反應(yīng)器占地面積小、結(jié)構(gòu)簡單的特點，通過塔式吸附反應(yīng)器中的螯合纖維快速吸附去除水中重金屬離子?！N塔式吸附反應(yīng)器，其包括塔身、布水器、螺旋式多孔褶板、纖維吸附材料和集水器，布水器位于塔內(nèi)頂端，塔身內(nèi)有螺旋式多孔褶板，螺旋式多孔褶板的凹槽內(nèi)覆有纖維吸附材料，集水器在塔內(nèi)底部。一種去除水中重金屬離子的系統(tǒng)，包括單個或多個并聯(lián)的塔式吸附反應(yīng)器、脫附劑配制槽、再生劑配制槽、管路、反滲透膜濾裝置和減壓蒸餾器，所述塔式吸附反應(yīng)器脫附劑進口與脫附劑配制槽出口通過管路相連，塔式吸附反應(yīng)器再生劑進口與再生劑配制槽相連，塔式吸附反應(yīng)器脫附流出液出口與反滲透膜濾裝置進口相連，反滲透膜濾裝置的膜濾濃縮液出口和膜濾出水口分別與減壓蒸餾器和脫附劑配制槽相連。所述的吸附材料為南京大學(xué)申請的中國專利，名稱一種胺修飾的纖維狀應(yīng)急吸附材料及其制備方法，專利公開號CN102489268A。一種去除水中重金屬離子的方法，其步驟包括
步驟1、進水打開進水口閥門，水樣經(jīng)布水器進入塔式吸附反應(yīng)器；
步驟2、吸附出水打開出水口閥門，水樣與塔式吸附反應(yīng)器內(nèi)螺旋式多孔褶板上的纖維吸附材料充分接觸，重金屬離子被吸附去除，吸附出水經(jīng)塔式吸附反應(yīng)器出水口流出；步驟3.纖維脫附關(guān)閉進水口 /出水口閥門，打開脫附劑進口閥門，脫附劑經(jīng)布水器噴灑至螺旋式多孔褶板上的纖維吸附材料，最后被底部集水器收集；
步驟4.脫附流出液回用打開脫附流出液出口閥門，集水器中的脫附流出液進入反滲透膜濾裝置，反滲透膜濾出水回流至脫附劑配制槽套用，反滲透膜慮濃縮液進入蒸餾器減壓蒸餾；
步驟5.纖維再生打開再生劑進口，再生劑經(jīng)布水器噴灑至螺旋式多孔褶板上的纖維吸附材料，最后被底部集水器收集；纖維再生過程結(jié)束后，打開再生流出液出口閥門，再生流出液回到再生劑配制槽套用。有益效果
(1)吸附反應(yīng)器采用塔式結(jié)構(gòu)，具有占地面積小的優(yōu)點； (2)塔式吸附反應(yīng)器內(nèi)使用胺修飾的纖維狀應(yīng)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、流失和堵塞的問題；
(3)螺旋式多孔褶板凹槽可以防止纖維吸附材料滑落，進水流量小時，水樣受重力作用依次經(jīng)螺旋式多孔褶板上層凹槽內(nèi)的纖維材料吸附后通過褶板孔均勻撒落到下層褶板，再次與下層褶板凹槽內(nèi)的纖維材料充分接觸吸附，形成多層吸附，從而保證較好的吸附效果；而當(dāng)進水流量大時，一部分水樣受重力作用順螺旋式多孔褶板自上而下旋流入集水器，這一過程極大地增加了水樣和褶板凹槽內(nèi)的纖維吸附接觸時間，從而保證較好的吸附效果。且整個過程主要依靠水流自身重力，動力消耗低；進水流量小時水流示意如圖5所示，如果進水流量大時水流示意如圖6所示。
(4)通過塔式反應(yīng)器內(nèi)的纖維吸附，在去除水中重金屬離子的同時不改變水質(zhì)，也不產(chǎn)生廢渣；
(5)通過酸溶液原位脫附以及堿溶液原位再生，使得吸附后的纖維無需轉(zhuǎn)移，可以在塔式吸附反應(yīng)器內(nèi)重復(fù)使用，且脫附液經(jīng)反滲透膜濾裝置處理后套用。說明書附圖
圖1為本發(fā)明塔式吸附反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的方法流程圖。圖4實施例1中塔式吸附反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖。圖5進水流量小時塔式吸附反應(yīng)器內(nèi)螺旋式多孔褶板水流示意圖。圖6進水流量大時塔式吸附反應(yīng)器內(nèi)螺旋式多孔褶板水流示意圖。圖7實施例1中吸附出水中重金屬離子濃度(橫坐標(biāo)表示吸附出水體積，單位為升；縱坐標(biāo)為吸附出水重金屬 離子濃度，單位為毫克/升)的研究實驗結(jié)果。圖8實施例2中吸附出水中重金屬離子濃度(橫坐標(biāo)表示吸附出水體積，單位為升；縱坐標(biāo)為吸附出水重金屬離子濃度，單位為毫克/升)的研究實驗結(jié)果。圖9實施例3中吸附出水中重金屬離子濃度(橫坐標(biāo)表示吸附出水體積，單位為升；縱坐標(biāo)為吸附出水重金屬離子濃度，單位為毫克/升)的研究實驗結(jié)果。圖10實施例4中吸附出水中重金屬離子濃度(橫坐標(biāo)表示吸附出水體積，單位為升；縱坐標(biāo)為吸附出水重金屬離子濃度，單位為毫克/升)的研究實驗結(jié)果。圖中標(biāo)注1_進水口 ；2_脫附劑進口 ；3_再生劑進口 ；4_通風(fēng)口 ；5_布水器；6-觀察窗；7-螺旋式多孔褶板；8_集水器；9_脫附流出液出口 ；10_出水口 ；11_再生流出液出口 ；12_纖維吸附材料；13-塔式吸附反應(yīng)器；14_反滲透膜濾裝置；15_脫附劑配制槽；16_再生劑配制槽；17_減壓蒸餾器；18_進水；19_脫附劑；20_再生劑；21_吸附出水；22_脫附流出液；23_膜濾濃縮液；24_膜濾出水；25_再生流出液。
具體實施例方式以下通過實施例進一步說明本發(fā)明。實施例1
如圖1所示，塔式吸附反應(yīng)器，其包括塔身、布水器5、螺旋式多孔褶板7、纖維吸附材料12和集水器8，布水器5位于塔內(nèi)頂端，塔身內(nèi)有螺旋式多孔褶板7，螺旋式多孔褶板7的凹槽內(nèi)覆有纖維吸附材料12，集水器8在塔內(nèi)底部。所述塔身還設(shè)置觀察窗6，布水器5上方還設(shè)置有通風(fēng)口 4，塔身上端分別設(shè)置進水口1、脫附劑進口 2和再生劑進口 3，且與布水器相連，塔身底部分別設(shè)置脫附流出液出口 9、出水口 10和再生流出液出口 11，且與集水器8相連，塔身為圓形。實施例1中去除水中重金屬離子的系統(tǒng)，如圖2和3所示，包括上述塔式吸附反應(yīng)器13(布水器位于塔內(nèi)頂端，塔身內(nèi)有螺旋式多孔褶板，多孔褶板凹槽內(nèi)覆有纖維吸附材料12，集水器在塔內(nèi)底部)、脫附液配制槽15、再生液配制槽16、反滲透膜濾裝置(反滲透膜濾系統(tǒng))14和減壓蒸餾器17，所述塔式吸附反應(yīng)器脫附劑進口 2與脫附劑配制槽15出口通過管路相連，塔式吸附反應(yīng)器再生劑進口 3與再生劑配制槽16相連，塔式吸附反應(yīng)器脫附流出液出口 9與反滲透膜濾裝置14進口相連，反滲透膜濾裝置14的膜濾濃縮液出口和膜濾出水口分別與減壓蒸餾器17和脫附劑配制槽15相連。具體實施例中水源水用河水加入硝酸鎳、硝酸銅、硝酸鉛和硝酸鎘配制,水樣中重金屬離子濃度如表I所示
表I進水水質(zhì)
權(quán)利要求
1.一種塔式吸附反應(yīng)器，其特征在于，包括塔身、布水器[5]和集水器[8]，其特征在于，還包括螺旋式多孔褶板[7]和纖維吸附材料[12]，布水器[5]位于塔內(nèi)頂端，塔身內(nèi)有螺旋式多孔褶板[7]，螺旋式多孔褶板[7]的凹槽內(nèi)覆有纖維吸附材料[12]，集水器[8]在塔內(nèi)底部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述塔式吸附反應(yīng)器，其特征在于，所述塔身還設(shè)置觀察窗[6]，布水器[5]上方還設(shè)置有通風(fēng)口 [4]，塔身上端分別設(shè)置進水口 [I]、脫附劑進口 [2]和再生劑進口 [3]，且與布水器[5]相連，塔身底部分別設(shè)置脫附流出液出口 [9]、出水口 [10]和再生流出液出口 [11]，且與集水器[8]相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2中任意一項所述的塔式吸附反應(yīng)器，其特征在于所述的纖維吸附材料為中國專利公開號CN102489268A公開的纖維狀應(yīng)急吸附材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-2中任意一項所述的塔式吸附反應(yīng)器，其塔身為圓形或方形塔身材料為聚丙烯材料，或內(nèi)有耐酸涂層的鋼材料。
5.一種去除水中重金屬離子的系統(tǒng)，包括單個或多個并聯(lián)的塔式吸附反應(yīng)器[13]、脫附劑配制槽[15]、再生劑配制槽[16]、管路、反滲透膜濾裝置[14]和減壓蒸餾器[17]，所述塔式吸附反應(yīng)器脫附劑進口 [2]與脫附劑配制槽出口通過管路相連，塔式吸附反應(yīng)器再生劑進口 [3]與再生劑配制槽相連，塔式吸附反應(yīng)器脫附流出液出口 [9]與反滲透膜濾裝置進口相連，反滲透膜濾裝置的膜濾濃縮液出口和膜濾出水口分別與減壓蒸餾器[17]和脫附劑配制槽[15]相連；所述塔式吸附反應(yīng)器包括塔身、布水器[5]、集水器[8]、螺旋式多孔褶板[7]和纖維吸附材料[12]，布水器[5]位于塔內(nèi)頂端，塔身內(nèi)有螺旋式多孔褶板[7]，螺旋式多孔褶板[7]的凹槽內(nèi)覆有纖維吸附材料[12]，集水器[8]在塔內(nèi)底部。
6.根據(jù)權(quán)利要求3中所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的纖維吸附材料為中國專利公開號CN102489268A公開的纖維狀應(yīng)急吸附材料；塔式吸附反應(yīng)器塔身為圓形或方形塔身材料為聚丙烯材料，或內(nèi)有耐酸涂層的鋼材料。
7.一種利用塔式吸附反應(yīng)器去除水中重金屬離子的方法包括 步驟1、進水打開進水口閥門，水樣經(jīng)布水器進入塔式吸附反應(yīng)器； 步驟2、吸附出水打開出水口閥門，水樣與塔式吸附反應(yīng)器內(nèi)螺旋式多孔褶板上的纖維吸附材料充分接觸，重金屬離子被吸附去除，吸附出水經(jīng)塔式吸附反應(yīng)器出水口流出； 步驟3、纖維脫附關(guān)閉進水口 /出水口閥門，打開脫附劑進口閥門，脫附劑經(jīng)布水器噴灑至螺旋式多孔褶板上的纖維吸附材料，最后被底部集水器收集； 步驟4、脫附流出液回用打開脫附流出液出口閥門，集水器中的脫附流出液進入反滲透膜濾裝置，反滲透膜濾出水回流至脫附劑配制槽套用，反滲透膜慮濃縮液進入蒸餾器減壓蒸餾； 步驟5、纖維再生打開再生劑進口，再生劑經(jīng)布水器噴灑至螺旋式多孔褶板上的纖維吸附材料，最后被底部集水器收集；纖維再生過程結(jié)束后，打開再生流出液出口閥門，再生流出液回到再生劑配制槽套用。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征是所述進水的進水流量為0.05-0.1升/秒；所述螺旋式多孔褶板凹槽內(nèi)有纖維吸附材料，厚度為0. 04-0. 05米。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征是所述步驟3中的脫附劑為pH=2.5的鹽酸溶液，脫附劑流量為0. 02升/秒。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征是所述步驟5中的再生劑是濃度為`0.01M/L的氫氧化鈉溶液，再生劑流量為0. 02升/秒。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種塔式吸附反應(yīng)器及其去除水中重金屬離子的系統(tǒng)和方法，屬于水處理領(lǐng)域。一種塔式吸附反應(yīng)器包括塔身、布水器[5]和集水器[8]，還包括螺旋式多孔褶板[7]和纖維吸附材料[12]，布水器[5]位于塔內(nèi)頂端，塔身內(nèi)有螺旋式多孔褶板[7]，螺旋式多孔褶板[7]的凹槽內(nèi)覆有纖維吸附材料[12]，集水器[8]在塔內(nèi)底部，系統(tǒng)包括以單個或多個并聯(lián)的塔式吸附反應(yīng)器，去除水中重金屬離子的方法，依次通過進水、吸附出水、纖維脫附、脫附流出液回用和纖維再生，吸附出水中重金屬離子濃度低于國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)重金屬離子濃度限值，纖維吸附飽和后經(jīng)過原位脫附、再生，可重復(fù)使用，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作便捷，運行穩(wěn)定，能夠快速去除水中多種重金屬離子。
文檔編號C02F1/28GK103058315SQ20131003173
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者王津南, 楊欣, 程澄, 王釔 申請人:南京大學(xué)