CN106622100B - 一种铁锰复合物结合超导磁分离除砷再利用的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁锰复合氧化物结合超导磁分离除砷再利用的方法，其特征在于，所述铁锰复合氧化物经筛分或旋流分级得到粒径大于10μm或20μm组分备用，小于10μm或20μm组分回流至制备环节再次结晶；将其直接投入或利用自然水利条件混合待处理含砷水中搅拌，充分混合反应后，得混合反应物；利用磁感应强度>3T超导磁选机对混合反应物进行快速固液分离；磁选快速分离后，无磁液相直接达标排放，有磁固相进入碱活化池中；碱活化池中铁锰复合氧化物与砷浓液的混合反应物再次经过超导磁选机，无磁液相作为砷浓液资源化利用，有磁固相即为已再生的铁锰复合氧化物，循环使用。极大简化其工业应用的工艺，大幅降低其使用成本。

Description

一种铁锰复合物结合超导磁分离除砷再利用的方法
技术领域
本发明属于砷提取技术领域,涉及一种铁锰复合物结合超导磁分离除砷再利用的方法。
背景技术
三价砷和五价砷是主要的无机砷组分，在水体环境中常常伴生存在。水中砷是一种重要的环境污染物，尤其当饮用水中含砷时，可引发多种肌肉、骨骼、及神经***疾病，更具致癌、致畸、致突变的特性。水中砷污染治理技术长期以来受到学界和工程界的普遍关注。
铁锰复合物在2005-2010年开始有文献报道，其是优良的无机砷处理材料，锰的引入可显著提高吸附材料对三价砷的处理效果，而铁氧化物对五价砷的处理效果显著高于三价砷。水环境中，三价砷与五价砷随水体的氧化还原条件可发生转化，因此，同时去除水中三价砷和五价砷是除水处理除砷的关键。
铁锰复合氧化物的相关专利和论文都不少，集中在材料合成和用于不同污染物去除领域。例如，Zhang[1,2]等2007年即尝试制备了铁锰复合氧化物，并于2012年制备了摩尔比3:1-9:1铁:锰的复合材料。然而，粉体吸附材料较难实现与水分离，传统需造粒或结合絮凝工艺使用，铁锰复合物造粒异常困难，粒状铁锰复合物目前在工程上应用极少。
现有技术中，虽然有少量工作关注负载型粒状铁锰氧化物的应用方法，例如，专利200610008135.8报道了铁锰复合氧化物负载硅藻土填充吸附床的使用方法。但负载工艺不可避免的带来孔道堵塞及吸附容量下降，同时，随着使用次数增加，活性组分脱落严重，进而极大地制约了实际工程使用。与此同时，铁锰复合物结合絮凝工艺已有小规模工业应用，通过投加粉体，其后加絮凝剂沉淀的方式与水分离。然而，其絮凝沉淀分离的方式，由于在絮凝沉降过程中产生大量铁或者铝的絮状化合物，以及伴随沉淀大量的悬浮颗粒物，将导致铁锰复合物无法循环再生，并且无法实现砷的资源化回收，产生污泥为危险废物，极大提高了水处理成本，进而极大制约了铁锰复合氧化物的工业化应用。
磁分离是一种基于磁性矿物在磁场中受力原理，实现磁性矿物精准分离的技术。在磁场中受磁力是矿物的固有属性，其在磁场中的受力Fmag由式决定：
式中，μ0为真空磁导率，V为矿物颗粒的体积，gradH为磁场梯度，M为矿物的磁化强度，其为与磁场强度相关的物理量，可通过振动磁强计测定，单位为emu/g。
根据矿物在磁场中的易磁化程度，一般可将矿物分为强磁性，弱磁性和非磁性矿物。强磁性矿物与弱磁性矿物的磁滞回线有显著区别，强磁性矿物在低磁场即产生较大磁矩，进而受明显磁力，且其在较低磁场中即可达到磁饱和；自然界的强磁性矿物极少，常见的只有Fe3O4、γ-Fe2O3、某些铁酸盐、铁、钴、镍单质等。由于强磁性矿物一般具有一定的表面惰性，缺少界面活性基团，其直接用于污染吸附处理具有一定的局限性。
虽然也有相关专利关注强磁性矿物表面功能化改性，进而结合磁分离技术用于污染治理的研究。这一类的工作通常首先制备磁铁矿、铁酸盐等强磁性磁核，其后在磁核表面通过表面沉积、官能团嫁接等方式覆盖活性层，进而利用永磁、电磁或超导磁场进行分离。例如，申请号为201510891129.0的专利，其通过制备铁酸盐强磁性磁核，其后包覆铁基凝胶，制备强磁性吸附材料，利用超导磁场实现固液分离，进而处理水中砷、锑污染。但该专利中，利用超导磁选机的主要优势是相比传统磁分离技术可大幅提高水处理产能，提高设备集约化率。缺点是，磁核和活性层工艺复杂，材料制备成本大幅提高，进而推高了水处理成本，同时，经反复吸附解吸过程后，磁核与活性层可发生破裂或脱落，进而导致在磁分离过程中活性材料大幅损失。类似专利的核心思想大多还是利用强磁核包覆活性组分进行污染物吸附，其后利用超导磁场进行分离。
综上所述，现有除砷再利用方法还存在诸多不足因素。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，发明人通过实验探索，出人意料地发现了一种基于>3T超导强磁场而直接利用顺磁性矿物作为吸附剂的水处理工艺，以达到除砷再利用。铁锰复合氧化物是顺磁性矿物，其磁属性随不同铁锰比而有差异，铁锰复合氧化物为弱磁矿物，其在磁场中受力随磁场强度增大而提高，较难达到磁饱和，申请人进一步发现，通过控制铁锰复合氧化物的下限粒径为10或20μm，铁锰比大于等于3的铁锰复合氧化物可在>3T的超导强磁场中实现高效分离。即可实现粉体铁锰复合氧化物在工业水处理领域的直接应用。
本发明目的在于提供一种铁锰复合物结合超导磁分离除砷再利用的方法，最终实现水中砷的资源回收。
本发明采用的技术方案：
一种铁锰复合氧化物结合超导磁分离除砷再利用的方法，所述铁锰摩尔比大于或等于3的铁锰复合氧化物经筛分或旋流分级得到粒径大于10μm或20μm组分备用，小于μm 10或20μm组分回流至制备环节再次结晶；
将粉体铁锰复合氧化物直接投入待处理含砷水中搅拌，或利用自然水利条件进行混合，铁锰复合氧化物与含砷水充分混合反应后，得混合反应物；
利用磁感应强度>3T超导磁选机对混合反应物进行快速固液分离；超导磁选机采用往复式结构，分选腔内填充高梯度介质，待高梯度介质捕集铁锰复合氧化物饱和后，分选腔移出磁场；
分选过程中无磁液相可直接达标排放，有磁固相即含砷的铁锰复合氧化物待分选腔移出磁场后冲入碱活化池中；碱活化作用后，碱活化池中铁锰复合氧化物与砷浓液的混合反应物再次经过超导磁选机，无磁液相作为砷浓液资源化利用，有磁固相即为已再生的铁锰复合氧化物，循环使用。
进一步，筛分或旋流分级过程相当于使用800或1000目孔径的筛网。
进一步，铁锰复合氧化物与含砷水充分混合反应10-60分钟。
进一步，超导磁选机中的高梯度介质包括刚毛饼、菱形介质网、齿板和钢棍，在磁场中捕集铁锰复合氧化物吸附剂，进而实现固液分离。
进一步，移出磁场的含砷铁锰复合氧化物吸附剂以100-300g/l的浓度冲入碱再生池。
本发明利用超导磁体产生的>3T磁感应强度，结合刚毛、菱形介质网、齿板、钢棍等高梯度材料，进而实现铁锰复合氧化物与水的高效分离，其后对已吸附砷的铁锰复合氧化物进行酸解吸，进而实现吸附剂循环使用和砷的资源化再生。解决了铁锰氧化物造粒困难，在工业应用中收到很大制约的技术问题，同时极大简化其工业应用的工艺，及大幅降低其使用成本。
附图说明
图1是三种比例铁锰复合物的磁滞回线图；
图2是实施例1的工艺流程图。
图1表明上述三种铁锰复合物为软磁材料，磁滞为0，其质量磁矩随磁场升高而升高，且在5T时未观察到磁饱和现象。
具体实施方式
下面结以具体实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1：
以二价铁盐和高锰酸钾为原料，保证铁、锰盐总的摩尔浓度为2.0mol/L，制备Fe/Mn摩尔比为3:1的铁锰复合氧化物。上述复合铁锰氧化物直接通过1000目湿法振动筛，截留部分经洗涤烘干后制成粉体铁锰复合氧化物；通过部分回流至材料制备环节。将粉体铁锰复合氧化物直接投入待处理含砷水中，其中主要为三价砷，可以利用多种设备进行搅拌，例如搅拌桶、管道混合器等，也可以利用自然水利条件进行混合，例如在上游投加，利用水流自行混合。铁锰复合氧化物与含砷水充分混合10分钟即可达到良好的除砷效率，利用超导磁选机可实现铁锰复合氧化物与水快速分离，铁锰复合氧化物捕集效率>99％，且处理能力可达500m3/h以上。磁选后，无磁液相可直接达标排放，有磁固相进入碱活化池中，利用氢氧化钠溶液解吸铁锰复合物吸附的砷。碱活化池中铁锰复合氧化物与砷浓液的混合体系再次经过超导磁选机，无磁液相作为砷浓液资源化利用，有磁固相即为已再生的铁锰复合氧化物，可循环使用。
根据上面的工艺条件，河道含砷浓度200mg/l，其中主要污染物为三价砷，投加4g/l的铁锰比3:1的铁锰复合氧化物后，砷浓度下降至0.05mg/l。超导磁体磁感应强度大于等于3T，单套超导磁选机小时处理水量300立方，铁锰复合氧化物在磁分离腔吸附饱和后，退出磁场后以200g/l的浓度冲入碱解吸池，碱解吸池中的砷浓度达到10g/l，其后通过超导磁分离过程再次分离铁锰复合物和砷浓液，铁锰复合氧化物循环利用，砷浓液可资源化利用。
实施例2：
农村砷污染地下水，砷浓度50mg/l，其中主要污染物为三价砷和五价砷。以二价铁盐三价铁盐和高锰酸钾为原料，保证铁、锰盐总的摩尔浓度为3.0mol/L，制备Fe2+/Mn摩尔比为3:1，Fe3+/Mn摩尔比为4:1，且Fe/Mn摩尔比为7:1的铁锰复合氧化物。通过旋流分级装置分离10μm以上组分，洗涤，烘干得到粉体铁锰复合氧化物。投加2g/l的铁锰比7:1的铁锰复合氧化物后，砷浓度下降至0.01mg/l。超导磁体磁感应强度大于5T，单套超导磁选机小时处理水量600立方，铁锰复合氧化物吸附剂在磁分离腔吸附饱和后，退出磁场后以100g/l的浓度冲入酸解吸池，酸解吸池中的砷浓度达到2g/l以上，其后通过超导磁分离过程再次分离铁锰复合氧化物和砷浓液，铁锰复合氧化物循环利用，砷浓液可实现资源化回收利用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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Claims (1)

1.一种铁锰复合氧化物结合超导磁分离除砷再利用的方法，其特征在于，铁锰摩尔比大于或等于3的铁锰复合氧化物经筛分或旋流分级得到粒径大于20 μm组分备用，小于20 μm组分回流至制备环节再次结晶；
将粉体铁锰复合氧化物直接投入待处理含砷水中搅拌，铁锰复合氧化物与含砷水充分混合反应10-60分钟后，得混合反应物；
利用磁感应强度>3T超导磁选机对混合反应物进行快速固液分离；超导磁选机采用往复式结构，分选腔内填充包括刚毛饼、菱形介质网、齿板和钢棍的高梯度介质，待高梯度介质捕集铁锰复合氧化物饱和后，分选腔移出磁场，进而实现固液分离；
分选过程中无磁液相直接达标排放，有磁固相即移出磁场的含砷铁锰复合氧化物吸附剂以100-300g/L的浓度冲入碱活化池中；碱活化作用后，碱活化池中铁锰复合氧化物与砷溶液的混合反应物再次经过超导磁选机，无磁液相作为砷溶液资源化利用，有磁固相即为已再生的铁锰复合氧化物，循环使用。
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