一種用于分離納米磁性材料的新型裝置和方法
【專利摘要】本發明提供了一種用于分離納米磁性材料的新型裝置，包括自上而下依次連接的初步分離單元(1)、過濾分離單元(2)、磁場分離單元(3)、細砂過濾單元(4)和出水單元(5)；所述初步分離單元(1)的進水口傾斜設置，其底部設有脈沖氣洗裝置(6)；所述過濾分離單元(2)內填充鐵粉濾料；所述磁場分離單元(3)內設有電磁板；所述細砂過濾單元(4)內填充細石英砂。該納米磁性材料分離裝置具有結構緊湊、使用方便、占地面積小、截留效果好等特點，在目前納米材料廣受關注的條件下具有較好的推廣應用前景。
【專利說明】一種用于分離納米磁性材料的新型裝置和方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于水處理設備領域，特別涉及一種納米磁性水處理材料的分離裝置。
【背景技術】
[0002] 中國的水環境污染問題嚴重，并且也影響到飲用水領域的水質安全。針對水中污 染物的去除和控制，水處理材料的效能及性質至關重要。納米級材料以其良好的處理效能 廣泛受到關注，然而其在應用中出現的問題也逐步引起大家關注。納米級材料進入水體后， 由于其較小的粒徑和由此所產生的一些基本特性，致使其用常規的水處理工藝較難有效分 離。而相關研究表明納米材料本身對生物體具有明顯的納米毒性，嚴重影響其健康。因此， 針對納米材料的分離方法是近期水處理領域研究的熱點之一。
[0003] 在納米材料的基礎上，人們研發出了諸如納米級磁性光催化劑、納米級磁性殼聚 糖等納米級的磁性水處理材料，且在水處理過程中具備良好的處理效能，然而同樣存在分 離困難的問題。因此迫切需要一種高效、簡單、便于在實際工程中應用的新型納米磁性材料 分離裝置或方法。
【發明內容】
[0004] 發明目的：本發明的目的在于一種提供高效、簡單、便于在實際工程中應用的新型 納米磁性材料分離裝置。
[0005] 技術方案：本發明提供了一種用于分離納米磁性材料的新型裝置，包括自上而下 依次連接的初步分離單元、過濾分離單元、磁場分離單元、細砂過濾單元和出水單元；所述 初步分離單元的進水口傾斜設置，其底部設有脈沖氣洗裝置；所述過濾分離單元內填充鐵 粉濾料；所述磁場分離單元內設有電磁板；所述細砂過濾單元內填充細石英砂。
[0006] 作為改進，所述初步分離單元的進水口上設有平行設置的2組以上平面網狀截留 裝置，平面網狀截留裝置上設有孔徑為2-10ym的濾膜或濾布，且每組截留裝置呈傾斜設 置，傾斜角為1〇〇?130°，過水流速控制在20-600L/m2 ?min。
[0007] 作為另一種改進，所述脈沖氣洗裝置的氣洗強度為10-30L/m2.s、脈沖周期為 10s?10min〇
[0008] 作為另一種改進，所述過濾分離單元填充的鐵粉濾料的粒徑為10-30目，過濾分 離單元中鐵粉濾料濾層厚度為30-80cm，且濾速介于3-8m/h之間。
[0009] 作為另一種改進，所述磁場分離單元內的電磁板的數量為2塊以上，長為 10-50cm;電磁板的電磁方向與水流方向平行，相鄰電磁板間隔2-10cm。
[0010] 作為另一種改進，所述細砂過濾單元內填充的細石英砂的粒徑為〇. 5-0. 8_，所述 細砂過濾單元中細石英砂濾層厚度為20-50cm。
[0011] 作為另一種改進，所述出水單元上設有水管和進氣管；所述初步分離單元上設有 反沖洗排水管。
[0012] 本發明還提供了一種用于分離納米級磁性材料的方法，包括以下步驟：
[0013] 1)含納米磁性材料的水經孔徑為初步分離單元上的濾膜或濾布初步分離，過濾過 程中通過脈沖氣洗裝置的脈沖曝氣將截留在濾膜或濾布上的顆粒及時剝離；
[0014] 2)經過初步分離的水流經過濾分離單元，過濾分離單元中的鐵粉進一步截留水中 納米磁性材料；
[0015] 3)經過過濾分離單元的水流經電磁場分離單元，進一步截留水中納米磁性材料；
[0016] 4)經過電磁場分離單元的水流經細砂過濾單元，進一步截留水中納米磁性材料， 凈化后的水由出水單元流出；
[0017] 5)使用出水單元上的水管和進氣管，采用氣水聯合反沖洗的方式對各單元所截留 物質清洗。
[0018]有益效果：本發明提供的納米磁性材料分離裝置結構緊湊、占地面積小、使用方 便、運行靈活、適用范圍廣，可較好地保障水中納米磁性材料的去除效果及整體出水水質， 具有較好的推廣應用前景。
[0019]本發明根據納米磁性材料的基本特性，分級、分步驟的將納米材料分離，最終確保 出水中納米材料的高效截留，并通過反沖洗裝置及回流沖洗裝置的設計實現了納米材料的 回收利用。具體而言，本發明根據納米磁性材料較易聚集的特性，首先采用較大孔徑的濾膜 或濾布將大部分磁性材料截留并通過脈沖氣洗裝置直接回流至系統中；經初步分離裝置截 留后殘留的納米磁性材料會進一步在鐵粉過濾單元得到充分去除；后續電磁場分離單元及 細砂過濾單元更多可以起到確保出水水質的作用；通過上述連續、分步驟的去除，水中的納 米磁性材料可得到有效的控制。此外，針對鐵粉過濾層的反沖洗裝置的設置巧妙地利用所 設置電磁閥的開閉來實現濾層內截留納米材料重新回流至除氟裝置中，又可利用反沖洗后 段較清潔的水、氣來實現初步分離單元中濾膜或濾布的沖洗。
[0020] 該裝置的過濾分離單元中采用密閉形式，可以在一定程度上在過濾分離單元頂部 形成負壓抽吸作用，有利于初步分離單元的正常運行；過濾分離單元中設置的鐵粉過濾濾 層，一方面可以滿足磁性材料截留的需要，另一方面通過使用過程中的少量溶出可形成具 備一定絮凝的鐵離子，從而有利于水中其余雜質的去除。
[0021] 該裝置的初步分離單元中創新性地將濾膜傾斜設置，從而即避免了水平設置時水 流方向與截留物質滑落方向截然相反，容易出現濾膜堵塞，過膜壓力急劇增加的缺陷，又可 充分濾膜下部的脈沖曝氣裝置將截留物質沖洗回主體溶液。
[0022] 該裝置的磁場分離單元可根據實際需要確定開啟與否，從而在保障出水水質安全 的前提下，降低系統運行能耗；且電磁板設置成可拆卸式，有利于后續操作維護。
[0023] 該裝置的細砂過濾單元一方面可以有效截留少量磁性材料，另一方面可以將水中 的其余雜質有效截留。
[0024] 該裝置采用氣水聯合反沖洗可實現細砂過濾單元、過濾分離單元及初步分離單元 的同步反沖洗，大大降低了能耗及水耗；同時反沖洗過程細砂可膨脹至電磁板間，利用細砂 與電磁板之間的摩擦可協助去除附著于電磁板上的少量物質，從而確保電磁場的效能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發明用于分離納米磁性材料的新型裝置的結構示意圖。
[0026] 圖2為納米磁性殼聚糖顆粒的（a)TEM和（b)SEM圖。
[0027] 圖3為自來水及分離后的顆粒粒度分布。
【具體實施方式】
[0028] 下面結合附圖對本發明用于分離納米磁性材料的新型裝置做出進一步說明。
[0029] 用于分離納米磁性材料的新型裝置，見圖1，包括自上而下依次連接的初步分離單 元1、過濾分離單元2、磁場分離單元3、細砂過濾單元4和出水單元5。初步分離單元1的 進水口傾斜設置，其底部設有脈沖氣洗裝置6 ;初步分離單元1的進水口上設有平行設置的 2組以上平面網狀截留裝置，平面網狀截留裝置上設有孔徑為2-10ym的濾膜或濾布，且每 組截留裝置呈傾斜設置，傾斜角為100?130°，過水流速控制在20-600L/m2 ^化。脈沖氣 洗裝置6的氣洗強度為10-30L/m2.s、脈沖周期為10s?lOmin。過濾分離單元2內填充粒 徑10-30目鐵粉濾料；過濾分離單元2中鐵粉濾料濾層厚度為30-80cm，且濾速介于3-8m/ h之間。磁場分離單元3內設有2塊以上電磁板；電磁板長為10-50cm;電磁板的電磁方向 與水流方向平行，相鄰電磁板間隔2-lOcm。細砂過濾單元4內填充粒徑0. 5-0. 8_細石英 砂，細砂過濾單元4中細石英砂濾層厚度為20-50cm。出水單元5上設有水管7和進氣管 8 ;初步分離單元1上設有反沖洗排水管9。
[0030] 利用該裝置分離水中納米級磁性材料，包括以下步驟：
[0031] 1)含納米磁性材料的水經孔徑為初步分離單元（1)上的濾膜或濾布初步分離，過 濾過程中通過脈沖氣洗裝置的脈沖曝氣將截留在濾膜或濾布上的顆粒及時剝離；
[0032] 2)經過初步分離的水流經過濾分離單元，過濾分離單元中的鐵粉進一步截留水中 納米磁性材料；
[0033] 3)經過過濾分離單元的水流經電磁場分離單元，進一步截留水中納米磁性材料；
[0034] 4)經過電磁場分離單元的水流經細砂過濾單元，進一步截留水中納米磁性材料， 凈化后的水由出水單元流出；
[0035] 5)使用出水單元上的水管和進氣管，采用氣水聯合反沖洗的方式對各單元所截留 物質清洗。
[0036] 為驗證本納米材料分離裝置的效能，在實驗室用自來水進行了配水驗證試驗，納 米磁性材料選用實驗室自制的納米磁性殼聚糖顆，粒徑約為l〇nm(其基本形態見圖2)。
[0037] 分別利用顆粒計數儀、納米粒度儀和濁度儀測定分離后及自來水的水質差異，結 果見表1及圖3。
[0038] 表1水質檢測結果
[0039]
【權利要求】
1. 一種用于分離納米磁性材料的新型裝置，其特征在于：包括自上而下依次連接的初 步分離單元（1)、過濾分離單元（2)、磁場分離單元（3)、細砂過濾單元（4)和出水單元（5); 所述初步分離單元（1)的進水口傾斜設置，其底部設有脈沖氣洗裝置￠);所述過濾分離單 元（2)內填充鐵粉濾料；所述磁場分離單元（3)內設有電磁板；所述細砂過濾單元（4)內填 充細石英砂。
2. 根據權利要求1所述的一種用于分離納米磁性材料的新型裝置，其特征在于：所述 初步分離單元（1)的進水口上設有平行設置的2組以上平面網狀截留裝置，平面網狀截留 裝置上設有孔徑為2-10 y m的濾膜或濾布，且每組截留裝置呈傾斜設置，傾斜角為100? 130°，過水流速控制在20-600L/m2 ? min。
3. 根據權利要求1所述的一種用于分離納米磁性材料的新型裝置，其特征在于：所述 脈沖氣洗裝置（6)的氣洗強度為10_30L/m2. s、脈沖周期為10s?lOmin。
4. 根據權利要求1所述的一種用于分離納米磁性材料的新型裝置，其特征在于：所述 過濾分離單元（2)填充的鐵粉濾料的粒徑為10-30目，過濾分離單元（2)中鐵粉濾料濾層 厚度為30_80cm，且濾速介于3_8m/h之間。
5. 根據權利要求1所述的一種用于分離納米磁性材料的新型裝置，其特征在于：所述 磁場分離單元（3)內的電磁板的數量為2塊以上，長為10-50cm;電磁板的電磁方向與水流 方向平行，相鄰電磁板間隔2-lOcm。
6. 根據權利要求1所述的一種用于分離納米磁性材料的新型裝置，其特征在于：所述 細砂過濾單元（4)內填充的細石英砂的粒徑為0. 5-0. 8_，所述細砂過濾單元（4)中細石英 砂濾層厚度為20-50cm。
7. 根據權利要求1所述的一種用于分離納米磁性材料的新型裝置，其特征在于：所述 出水單元（5)上設有水管（7)和進氣管（8);所述初步分離單元（1)上設有反沖洗排水管 (9)。
8. -種用于分離納米級磁性材料的方法，其特征在于：包括以下步驟： 1) 含納米磁性材料的水經孔徑為初步分離單元（1)上的濾膜或濾布初步分離，過濾過 程中通過脈沖氣洗裝置的脈沖曝氣將截留在濾膜或濾布上的顆粒及時剝離； 2) 經過初步分離的水流經過濾分離單元，過濾分離單元中的鐵粉進一步截留水中納米 磁性材料； 3) 經過過濾分離單元的水流經電磁場分離單元，進一步截留水中納米磁性材料； 4) 經過電磁場分離單元的水流經細砂過濾單元，進一步截留水中納米磁性材料，凈化 后的水由出水單元流出； 5) 使用出水單元上的水管和進氣管，采用氣水聯合反沖洗的方式對各單元所截留物質 清洗。
【文檔編號】C02F9/12GK104386872SQ201410723567
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月2日 優先權日:2014年12月2日
【發明者】劉成, 孫亞坤, 陳衛, 何思源 申請人:河海大學