根据静态和动态试验结果, 对不同控制条件下活性氧化铝除氟可利用吸附容量和实际吸附容量进行了分析, 从吸附容量利用率的角度论述了确定活性氧化铝除氟柱控制参数的方法. 试验及计算结果表明, 停留时间控制在 12～ 15min, 活性氧化铝吸附容量较大, 吸附容量利用率较高.
多年来, 人们饮用高氟水所带来的病痛, 一直是个严峻的问题, 氟骨症和氟斑牙高发区遍布全国 20多个省, 饮用高氟水造成的氟中毒是一种主要地方病 . 根据中央爱卫会 1983—1985 年对全国饮用水近 2. 9 万个水样的调查结果, 约 7 700 万人饮用高氟水, 全国约 3 500 万人患氟斑牙, 170 万人患氟骨症 , 其中西北、华北饮用高氟水的人口较多, 危害最为严重. 我国生活饮用水标准规定氟离子浓度不超过 1. 0mgL, 北方地区高氟地下水很普遍, 由于区域性水资源匮乏, 不得不考虑有效措施进行除氟,在众多除氟方法中, 活性氧化铝是最为广泛采用的一种, 在美国被推荐为去除包括氟化物在内的多种无机离子的最佳处理技术(Best Available Technology) . 很多研究认为活性氧化铝除氟装置的接触时间应控制在 15m in 以上, 终点出水氟浓度不超过 1. 0mgL, 但对不同接触时间和出水浓度下活性氧化铝吸附容量的利用结果没有深入研究, 不同条件下吸附容量的利用情况还不明确. 本文结合静态和动态试验结果, 对控制参数(接触时间和出水浓度)变化时活性氧化铝的吸附容量利用率进行了数值计算,并在此基础上得出合理的除氟控制条件.
1 试验材料和方法
试验所用活性氧化铝为浙江温州活性氧化铝厂生产, 粒径 1～ 3mm; 试验中所用高氟水为自来水加氟化钠溶液配制, 氟离子检测方法为氟离子选择电极法.
1)静态吸附试验: 在数个带塞的锥形瓶中, 固定吸附剂的投加量, 加入 1L 浓度不同的高氟水, 恒温25±2℃连续振荡, 达到吸附平衡后测定溶液中剩余氟离子浓度.
2)动态试验: 吸附柱为5 (50mm×1 000mm 有机玻璃柱,pH 为7. 5 左右, 选取不同的控制参数进行下向流连续通水试验, 直到完全穿透停止通水.
2 可利用吸附容量理论分析
2. 1 静态条件下吸附量与平衡浓度关系
吸附等温线表达了吸附平衡时吸附质在固液两相的平衡分配, 利用平衡等温式可以求出在给定平衡浓度的吸附量. 根据静态试验的结果, 可以估计动态连续处理的可利用吸附容量, 并能比较连续处理条件的优劣, 对连续处理控制条件进行优化. 吸附等温线一般具有图1 形式, 对应于任一浓度cei 都能给出一个吸附量qei, 从而吸附量qe 是平衡浓度ce 的函数:
qe = f (ce) (1)
2. 2 连续流条件下吸附层内氟离子浓度分布
在动态连续处理过程中, 吸附层内的浓度分布是不断变化的, 但在某一时刻, 如图2 所示, 在吸附层hi 处任取一微元薄层dh, 可近似认为在该薄层内达到了相对平衡, 从而在吸附层内部存在如图所示的某种浓度分布. 假设吸附层进水浓度为C0, 出水浓度为Ch, 在时刻 t 层高hi 处浓度为Ci, 则该微元层的平衡吸附量(qei )表示为:
qei = f (ci) (2)
当进水浓度为定值, 出水浓度Ch 达到某一给定数值Ct 时, 吸附柱内水中氟离子浓度分布是h 的函数:
c = c(h) (3)
2. 3 吸附剂的最终可利用吸附容量
出水浓度达到Ct 时, 微元dh 内吸附剂的吸附量为ΘA f [c(c0,h,ct) ]dh, 对整个吸附柱积分即可求得吸附剂理论上的最大可利用吸附容量q(c0,h,ct).
取不同的Ct 值, 可以按照上述方法得出吸附层为45cm、60cm 和75cm 时最大可利用吸附容量和实际利用吸附容量的值, 计算结果列于表2 中. 从表中可以看出, 在滤速恒定条件下, 随吸附层增高, 可利用吸附容量和实际利用吸附容量相应增大; 出水氟离子浓度控制在 1. 0～ 1. 5mgL, 吸附层高分别为60cm 和75cm (相应停留时间分别为12m in 和15m in)时, 可利用吸附容量和实际利用吸附容量都较大,实际利用吸附容量和可利用吸附容量的比值Α约为0. 8, 说明吸附容量利用率为80%左右, 吸附容量利用较为充分.
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4 讨 论
根据静态试验和动态试验实测结果, 利用上述方法, 可以计算不同控制条件下活性氧化铝除氟柱吸附容量利用情况, 从而进一步调整优化控制参数. 从本例的计算结果得出, 活性氧化铝除氟装置停留时间控制在 12～ 15m in 吸附容量较大, 吸附容量利用率较高, 实际利用吸附容量占可利用吸附容量的80%左右.
