CN104386872A - 一种用于分离纳米磁性材料的新型装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于分离纳米磁性材料的新型装置，包括自上而下依次连接的初步分离单元(1)、过滤分离单元(2)、磁场分离单元(3)、细砂过滤单元(4)和出水单元(5)；所述初步分离单元(1)的进水口倾斜设置，其底部设有脉冲气洗装置(6)；所述过滤分离单元(2)内填充铁粉滤料；所述磁场分离单元(3)内设有电磁板；所述细砂过滤单元(4)内填充细石英砂。该纳米磁性材料分离装置具有结构紧凑、使用方便、占地面积小、截留效果好等特点，在目前纳米材料广受关注的条件下具有较好的推广应用前景。

Description

一种用于分离纳米磁性材料的新型装置和方法
技术领域
本发明属于水处理设备领域，特别涉及一种纳米磁性水处理材料的分离装置。
背景技术
中国的水环境污染问题严重，并且也影响到饮用水领域的水质安全。针对水中污染物的去除和控制，水处理材料的效能及性质至关重要。纳米级材料以其良好的处理效能广泛受到关注，然而其在应用中出现的问题也逐步引起大家关注。纳米级材料进入水体后，由于其较小的粒径和由此所产生的一些基本特性，致使其用常规的水处理工艺较难有效分离。而相关研究表明纳米材料本身对生物体具有明显的纳米毒性，严重影响其健康。因此，针对纳米材料的分离方法是近期水处理领域研究的热点之一。
在纳米材料的基础上，人们研发出了诸如纳米级磁性光催化剂、纳米级磁性壳聚糖等纳米级的磁性水处理材料，且在水处理过程中具备良好的处理效能，然而同样存在分离困难的问题。因此迫切需要一种高效、简单、便于在实际工程中应用的新型纳米磁性材料分离装置或方法。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于一种提供高效、简单、便于在实际工程中应用的新型纳米磁性材料分离装置。
技术方案：本发明提供了一种用于分离纳米磁性材料的新型装置，包括自上而下依次连接的初步分离单元、过滤分离单元、磁场分离单元、细砂过滤单元和出水单元；所述初步分离单元的进水口倾斜设置，其底部设有脉冲气洗装置；所述过滤分离单元内填充铁粉滤料；所述磁场分离单元内设有电磁板；所述细砂过滤单元内填充细石英砂。
作为改进，所述初步分离单元的进水口上设有平行设置的2组以上平面网状截留装置，平面网状截留装置上设有孔径为2-10μm的滤膜或滤布，且每组截留装置呈倾斜设置，倾斜角为100～130°，过水流速控制在20-600L/m2·min。
作为另一种改进，所述脉冲气洗装置的气洗强度为10-30L/m2.s、脉冲周期为10s～10min。
作为另一种改进，所述过滤分离单元填充的铁粉滤料的粒径为10-30目，过滤分离单元中铁粉滤料滤层厚度为30-80cm，且滤速介于3-8m/h之间。
作为另一种改进，所述磁场分离单元内的电磁板的数量为2块以上，长为10-50cm；电磁板的电磁方向与水流方向平行，相邻电磁板间隔2-10cm。
作为另一种改进，所述细砂过滤单元内填充的细石英砂的粒径为0.5-0.8mm，所述细砂过滤单元中细石英砂滤层厚度为20-50cm。
作为另一种改进，所述出水单元上设有水管和进气管；所述初步分离单元上设有反冲洗排水管。
本发明还提供了一种用于分离纳米级磁性材料的方法，包括以下步骤：
1)含纳米磁性材料的水经孔径为初步分离单元上的滤膜或滤布初步分离，过滤过程中通过脉冲气洗装置的脉冲曝气将截留在滤膜或滤布上的颗粒及时剥离；
2)经过初步分离的水流经过滤分离单元，过滤分离单元中的铁粉进一步截留水中纳米磁性材料；
3)经过过滤分离单元的水流经电磁场分离单元，进一步截留水中纳米磁性材料；
4)经过电磁场分离单元的水流经细砂过滤单元，进一步截留水中纳米磁性材料，净化后的水由出水单元流出；
5)使用出水单元上的水管和进气管，采用气水联合反冲洗的方式对各单元所截留物质清洗。
有益效果：本发明提供的纳米磁性材料分离装置结构紧凑、占地面积小、使用方便、运行灵活、适用范围广，可较好地保障水中纳米磁性材料的去除效果及整体出水水质，具有较好的推广应用前景。
本发明根据纳米磁性材料的基本特性，分级、分步骤的将纳米材料分离，最终确保出水中纳米材料的高效截留，并通过反冲洗装置及回流冲洗装置的设计实现了纳米材料的回收利用。具体而言，本发明根据纳米磁性材料较易聚集的特性，首先采用较大孔径的滤膜或滤布将大部分磁性材料截留并通过脉冲气洗装置直接回流至***中；经初步分离装置截留后残留的纳米磁性材料会进一步在铁粉过滤单元得到充分去除；后续电磁场分离单元及细砂过滤单元更多可以起到确保出水水质的作用；通过上述连续、分步骤的去除，水中的纳米磁性材料可得到有效的控制。此外，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材料重新回流至除氟装置中，又可利用反冲洗后段较清洁的水、气来实现初步分离单元中滤膜或滤布的冲洗。
该装置的过滤分离单元中采用密闭形式，可以在一定程度上在过滤分离单元顶部形成负压抽吸作用，有利于初步分离单元的正常运行；过滤分离单元中设置的铁粉过滤滤层，一方面可以满足磁性材料截留的需要，另一方面通过使用过程中的少量溶出可形成具备一定絮凝的铁离子，从而有利于水中其余杂质的去除。
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。
该装置的磁场分离单元可根据实际需要确定开启与否，从而在保障出水水质安全的前提下，降低***运行能耗；且电磁板设置成可拆卸式，有利于后续操作维护。
该装置的细砂过滤单元一方面可以有效截留少量磁性材料，另一方面可以将水中的其余杂质有效截留。
该装置采用气水联合反冲洗可实现细砂过滤单元、过滤分离单元及初步分离单元的同步反冲洗，大大降低了能耗及水耗；同时反冲洗过程细砂可膨胀至电磁板间，利用细砂与电磁板之间的摩擦可协助去除附着于电磁板上的少量物质，从而确保电磁场的效能。
附图说明
图1为本发明用于分离纳米磁性材料的新型装置的结构示意图。
图2为纳米磁性壳聚糖颗粒的(a)TEM和(b)SEM图。
图3为自来水及分离后的颗粒粒度分布。
具体实施方式
下面结合附图对本发明用于分离纳米磁性材料的新型装置做出进一步说明。
用于分离纳米磁性材料的新型装置，见图1，包括自上而下依次连接的初步分离单元1、过滤分离单元2、磁场分离单元3、细砂过滤单元4和出水单元5。初步分离单元1的进水口倾斜设置，其底部设有脉冲气洗装置6；初步分离单元1的进水口上设有平行设置的2组以上平面网状截留装置，平面网状截留装置上设有孔径为2-10μm的滤膜或滤布，且每组截留装置呈倾斜设置，倾斜角为100～130°，过水流速控制在20-600L/m2·min。脉冲气洗装置6的气洗强度为10-30L/m2.s、脉冲周期为10s～10min。过滤分离单元2内填充粒径10-30目铁粉滤料；过滤分离单元2中铁粉滤料滤层厚度为30-80cm，且滤速介于3-8m/h之间。磁场分离单元3内设有2块以上电磁板；电磁板长为10-50cm；电磁板的电磁方向与水流方向平行，相邻电磁板间隔2-10cm。细砂过滤单元4内填充粒径0.5-0.8mm细石英砂，细砂过滤单元4中细石英砂滤层厚度为20-50cm。出水单元5上设有水管7和进气管8；初步分离单元1上设有反冲洗排水管9。
利用该装置分离水中纳米级磁性材料，包括以下步骤：
1)含纳米磁性材料的水经孔径为初步分离单元(1)上的滤膜或滤布初步分离，过滤过程中通过脉冲气洗装置的脉冲曝气将截留在滤膜或滤布上的颗粒及时剥离；
2)经过初步分离的水流经过滤分离单元，过滤分离单元中的铁粉进一步截留水中纳米磁性材料；
3)经过过滤分离单元的水流经电磁场分离单元，进一步截留水中纳米磁性材料；
4)经过电磁场分离单元的水流经细砂过滤单元，进一步截留水中纳米磁性材料，净化后的水由出水单元流出；
5)使用出水单元上的水管和进气管，采用气水联合反冲洗的方式对各单元所截留物质清洗。
为验证本纳米材料分离装置的效能，在实验室用自来水进行了配水验证试验，纳米磁性材料选用实验室自制的纳米磁性壳聚糖颗,粒径约为10nm(其基本形态见图2)。
分别利用颗粒计数仪、纳米粒度仪和浊度仪测定分离后及自来水的水质差异，结果见表1及图3。
表1 水质检测结果
由表1可以看出，分离装置对磁性纳米材料具有较好的去除效果，分离后颗粒数由自来水的160降低至56个/mL，而浑浊度也由0.36降低至0.1NTU.而纳米粒度仪的测定结果也表明，经分离装置分离后水样的粒度分布没有发生明显的改变。说明该分离装置对纳米级磁性颗粒具有较好的去除效果。

Claims (8)

1.一种用于分离纳米磁性材料的新型装置，其特征在于：包括自上而下依次连接的初步分离单元(1)、过滤分离单元(2)、磁场分离单元(3)、细砂过滤单元(4)和出水单元(5)；所述初步分离单元(1)的进水口倾斜设置，其底部设有脉冲气洗装置(6)；所述过滤分离单元(2)内填充铁粉滤料；所述磁场分离单元(3)内设有电磁板；所述细砂过滤单元(4)内填充细石英砂。
2.根据权利要求1所述的一种用于分离纳米磁性材料的新型装置，其特征在于：所述初步分离单元(1)的进水口上设有平行设置的2组以上平面网状截留装置，平面网状截留装置上设有孔径为2-10μm的滤膜或滤布，且每组截留装置呈倾斜设置，倾斜角为100～130°，过水流速控制在20-600L/m2·min。
3.根据权利要求1所述的一种用于分离纳米磁性材料的新型装置，其特征在于：所述脉冲气洗装置(6)的气洗强度为10-30L/m2.s、脉冲周期为10s～10min。
4.根据权利要求1所述的一种用于分离纳米磁性材料的新型装置，其特征在于：所述过滤分离单元(2)填充的铁粉滤料的粒径为10-30目，过滤分离单元(2)中铁粉滤料滤层厚度为30-80cm，且滤速介于3-8m/h之间。
5.根据权利要求1所述的一种用于分离纳米磁性材料的新型装置，其特征在于：所述磁场分离单元(3)内的电磁板的数量为2块以上，长为10-50cm；电磁板的电磁方向与水流方向平行，相邻电磁板间隔2-10cm。
6.根据权利要求1所述的一种用于分离纳米磁性材料的新型装置，其特征在于：所述细砂过滤单元(4)内填充的细石英砂的粒径为0.5-0.8mm，所述细砂过滤单元(4)中细石英砂滤层厚度为20-50cm。
7.根据权利要求1所述的一种用于分离纳米磁性材料的新型装置，其特征在于：所述出水单元(5)上设有水管(7)和进气管(8)；所述初步分离单元(1)上设有反冲洗排水管(9)。
8.一种用于分离纳米级磁性材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)含纳米磁性材料的水经孔径为初步分离单元(1)上的滤膜或滤布初步分离，过滤过程中通过脉冲气洗装置的脉冲曝气将截留在滤膜或滤布上的颗粒及时剥离；
2)经过初步分离的水流经过滤分离单元，过滤分离单元中的铁粉进一步截留水中纳米磁性材料；
3)经过过滤分离单元的水流经电磁场分离单元，进一步截留水中纳米磁性材料；
4)经过电磁场分离单元的水流经细砂过滤单元，进一步截留水中纳米磁性材料，净化后的水由出水单元流出；
5)使用出水单元上的水管和进气管，采用气水联合反冲洗的方式对各单元所截留物质清洗。
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