CN110194518A

CN110194518A - 一种饮用水输配***中铁离子浓度控制方法

Info

Publication number: CN110194518A
Application number: CN201910467693.8A
Authority: CN
Inventors: 李中岳; 佟慧妍; 江谦益; 胡行帅; 柳丽芬
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2019-05-31
Publication date: 2019-09-03

Abstract

一种饮用水输配***中铁离子浓度控制方法，属于城市饮用水输配***中腐蚀管道领域。利用模拟装置对饮用水输配***中铁离子浓度的控制方法进行研究，得到的实验结果更能说明实际问题。本发明的控制主体水水质的回归方程和影响因素3D图，可以根据回归方程和影响因素3D图调控主体水水质，进而控制主体水和闭塞水中铁离子浓度，保证老化腐蚀的管道中饮用水的安全输配。

Description

一种饮用水输配***中铁离子浓度控制方法

技术领域

本发明属于城市饮用水输配***中腐蚀管道领域，涉及饮用水输配***中铁离子浓度控制方法。

背景技术

饮用水输配***中的铁质管道发生腐蚀会导致饮用水中出现金属味和霉味，自来水公司会受到消费者投诉。针对饮用水中金属味的研究表明，金属离子的存在增加了饮用水的苦味和咸味以及一些涩味。虽然金属铁本身没有味道，但是这种物质可能通过天然存在的抗氧化剂如维生素C被还原为Fe(II)，从而产生金属味。虽然饮用水中由于管道腐蚀所释放的铁对人体健康没有直接影响，但是当管道发生腐蚀时会导致溶解氧和消毒剂的消耗，进而给有害生物膜生长提供所需的条件，有害生物膜的存在会对人类健康造成危害。

饮用水输配***中管道的铁离子释放涉及管道和饮用水之间的电化学或物理化学作用。氧化反应导致管道内表面的劣化，使得管道表面上两个不同点处存在电势差从而加快管道的腐蚀。管垢还可以作为铁的储存器，在水质水力条件发生变化时导致铁释放到饮用水中。影响饮用水输配***中管道的腐蚀和铁释放现象的因素包括pH值、硫酸根、氯离子等。

目前的研究大多数对于铁离子控制的方法都是在相对宏观的层次上，以管网内部主体水为研究介质分析不同因素对铸铁管道腐蚀和铁释放的影响，从而控制管网中铁离子的释放，而未考虑闭塞水所起的影响作用。闭塞水中富含的大量铁、锰等离子，在一定条件下这些金属离子很可能在闭塞水、管垢及主体水之间迁移转化，释放到主体水中，引起饮用水二次污染。因此，从微观角度出发，将闭塞水引入控制饮用水中铁离子浓度方法研究中是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种饮用水输配***中铁离子浓度控制方法，以解决上述难题，通过对调节主体水中pH值、氯离子和硫酸根的浓度，来控制主体水和闭塞水中的铁离子浓度，以此控制饮用水中的铁离子浓度，实现在发生腐蚀的管道中饮用水安全输配。

本发明采用的具体技术方案为：

一种饮用水输配***中铁离子浓度控制方法，包括如下步骤：

第一步，该装置由三部分组成，分别是主体水区域、管垢区域以及闭塞水区域；主体水区域通过管垢区域与闭塞水区域连通；整个装置仅在主体水区域设置进、出水口；主体水区域用蠕动泵连接，以模拟主体水的流动状态；将模拟自来水倒入主体水区域，除氧的模拟闭塞水倒入闭塞水区域，管垢区域添加混合管垢，给闭塞区铸铁添加1mA的电流以加快腐蚀速率，并启动蠕动泵，根据要求运行指定时间；

第二步，根据表1给定的因素水平配置主体水，再根据表2给定的顺序依次进行；

表1.设计因素和水平

表2.设计安排

第三步，测试待测样品

分别在测试前后对主体水和闭塞水进行取样，通过电感耦合等离子体质谱仪测定主体水和闭塞水中铁离子的浓度。

第四步，结果分析，对0小时和48小时主体水和闭塞水中的铁离子浓度进行测定

用48小时铁离子浓度减去0小时铁离子浓度得到48小时内主体水、闭塞水中铁离子浓度的变化值，再结合铁离子影响因素水平，得到一次回归方程以及影响饮用水中铁离子浓度的3D图。根据该一次回归方程(1)和(2)以及3D图(图3、4)可知，主体水中铁浓度的变化值与氯离子和硫酸根浓度有关，当氯离子和硫酸根浓度升高时主体水中的铁离子浓度会增加。这主要是由于氯离子和硫酸根会破坏管道上保护层，促进腐蚀的进行以及管垢的释放，且氯离子和硫酸根的浓度对于管道腐蚀的影响会直接反应在拉森指数上，在碱度不变的情况下，当氯离子和硫酸根的浓度升高时就会导致拉森指数增加。闭塞水中的铁离子浓度变化值与pH值成反比，与硫酸根和氯离子的值成正比。这就说明随着氯离子、硫酸根浓度的增加闭塞水中铁离子浓度是增加的，而闭塞水中的pH值增加就会导致闭塞水铁离子浓度的显著下降。

△C_主体水铁＝-0.24+2.21×10^-3×C_氯离子+8.03×10^-4×C_硫酸根 (1)

△C_闭塞水铁＝1930.79-152.25×pH+1.86×C_氯离子+1.39×C_硫酸根 (2)

式中，C_氯离子、C_硫酸根、ΔC_主体水铁和ΔC_闭塞水铁分别代表氯离子浓度、硫酸根浓度、主体水中铁离子浓度变化值和闭塞水中铁离子浓度变化值，单位是mg/L。

进一步地，上述水样在测定时需要用2％HNO₃酸化。

进一步地，闭塞区域和主体水区域的体积分别为2mL和2 L。该装置由聚四氟乙烯制成，以避免装置材料的影响。其中闭塞区域总共有6个，闭塞水总体积12mL；管垢区域添加1g混合管垢。

进一步地，上述的混合管垢是Fe₂O₃、Fe₃O₄、Fe(OH)₃以质量比6.5:2.5:1的比例混合而成。

本发明可以在模拟装置对饮用水输配***中铁离子浓度的控制方法进行研究，得到的结果更能说明实际问题。本发明中控制主体水水质的回归方程和影响因素3D图，可以根据回归方程和影响因素3D图调控主体水水质，进而控制主体水和闭塞水中铁离子浓度，保证老化腐蚀的管道中饮用水的安全输配。

附图说明

图1是饮用水管道闭塞水示意图。

图2(a)是本发明的模拟闭塞电池装置图。

图2(b)是本发明的扩散通道的示意图。

图3是pH值、氯离子以及硫酸根对主体水中Fe浓度的影响图；(a)pH值及硫酸根，(b)pH值、氯离子，(c)氯离子以及硫酸根。

图4是pH值、氯离子以及硫酸根对闭塞水中Fe浓度的影响图；a)pH值及硫酸根，(b)pH值、氯离子，(c)氯离子以及硫酸根。

图中：1阳极；2闭塞水区域；3扩散通道；4主体水区域；5阴极；6滤纸A；7模拟管垢；8滤纸B；9进水口；10出水口。

具体实施方式

为实现以上效果，下面结合附图和附表与实施例对发明作进一步描述：饮用水输配***中铁离子浓度控制方法主要包括设计安排、准备、样品取样及检测、样品结果分析。

设计安排：本发明选取了pH值、氯离子以及硫酸根三种能影响饮用水中铁离子浓度的因素，设计了如表2所示，以得出控制饮用水中铁离子浓度的回归方程，找到控制饮用水中铁离子浓度的最佳pH值、氯离子浓度以及硫酸根浓度。

准备：在40mL/min的流速和加1mA的电流条件下运行，主体水区域加入自配自来水，闭塞水区域加入配制的模拟闭塞水。模拟管垢是Fe₂O₃、Fe₃O₄、Fe(OH)₃以质量比6.5:2.5:1的比例混合而成。闭塞水中铸铁片用360号砂纸逐级打磨到2000号，泡在无水酒精中待用，使用时用吹风机吹干。闭塞水经过2小时的氮吹，以模拟真实闭塞水的无氧环境。测样前用2％HNO₃对样品进行酸化。

样品的取样及检测：周期为48小时，分别在0小时和48小时对主体水和闭塞水进行取样，通过ICP-MS测定主体水和闭塞水中铁离子浓度。

本发明主体水和闭塞水中样品的检测，具体包括以下步骤：

第一步，准备测试仪器

使用电感耦合等离子体质谱仪。开机点火预热仪器30分钟，然后进行调试，等待调试并稳定其流量；待雾化室温度达到4℃后，微调射频功率、锥***置或载气流量等参数，使各个性能指标处于仪器安装验收指标值的±30％之内。

第二步，测试待测样品。

点击测试按钮，对样品进行测试。

Claims

1.一种饮用水输配***中铁离子浓度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，该饮用水输配***中铁离子浓度控制方法所用装置由三部分组成，分别是主体水区域、管垢区域以及闭塞水区域；主体水区域通过管垢区域与闭塞水区域连通；整个装置仅在主体水区域设置进、出水口；主体水区域用蠕动泵连接，以模拟主体水的流动状态；将模拟主体水倒入主体水区域，除氧的模拟闭塞水倒入闭塞水区域，管垢区域添加混合管垢，给闭塞区铸铁添加1mA的电流以加快腐蚀速率，并启动蠕动泵，根据要求运行指定时间；

第二步，根据下表1给定的因素水平配置主体水，再根据下表2给定的顺序依次进行操作；

表1.设计因素和水平

因素低水平中等水平高水平 (-1) (0) (1) pH(A) 6.5 7.5 8.5 氯离子(B) 65 130 195 硫酸根(C) 130 260 390

表2.设计安排

实验编号 A B C 1 0 0 0 2 1 -1 0 3 1 0 1 4 -1 1 0 5 0 1 1 6 1 0 -1 7 0 0 0 8 0 -1 -1 9 -1 -1 0 10 -1 0 1 11 1 1 0 12 0 -1 1 13 0 0 0 14 -1 0 -1 15 0 1 -1

第三步，测试待测样品

分别在测试前后对主体水和闭塞水进行取样，通过电感耦合等离子体质谱仪测定主体水和闭塞水中铁离子的浓度；

第四步，对0小时和48小时主体水和闭塞水中的铁离子浓度进行测定用48小时铁离子浓度减去0小时铁离子浓度得到48小时内主体水闭塞水中铁离子浓度的变化值，再结合铁离子影响因素水平，得到一次回归方程(1)和(2)以及影响饮用水中铁离子浓度的3D图；

ΔC_主体水铁＝-0.24+2.21×10^-3×C_氯离子+8.03×10^-4×C_硫酸根 (1)

ΔC_闭塞水铁＝1930.79-152.25×pH+1.86× C_氯离子+1.39× C_硫酸根 (2)

式中，C_氯离子、C_硫酸根、ΔC_主体水铁和ΔC_闭塞水铁分别代表氯离子浓度、硫酸根浓度、主体水铁离子浓度变化值和闭塞水铁离子浓度变化值，单位是mg/L。

2.根据权利要求1所述的饮用水输配***中铁离子浓度控制方法，其特征在于，主体水区域的体积为12mL，闭塞水区域体积为2mL；该装置由聚四氟乙烯制成；管垢区域添加1g混合管垢。

3.根据权利要求1或2所述的饮用水输配***中铁离子浓度控制方法，其特征在于，所述的混合管垢是Fe₂O₃、Fe₃O₄、Fe(OH)₃以质量比6.5:2.5:1的比例混合而成。

4.根据权利要求1或2所述的饮用水输配***中铁离子浓度控制方法，其特征在于，使用电感耦合等离子体质谱仪，并在测样前用2％HNO₃对样品进行酸化。

5.根据权利要求3所述的饮用水输配***中铁离子浓度控制方法，其特征在于，使用电感耦合等离子体质谱仪，并在测样前用2％HNO₃对样品进行酸化。