吸附器以及氧化铁吸附剂.pdf

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摘要
申请专利号:

CN01816318.1

申请日:

2001.09.21

公开号:

CN1466550A

公开日:

2004.01.07

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情:

专利申请权、专利权的转移(专利权的转移)变更项目:专利权人变更前权利人:拜尔公司 地址: 德国莱沃库森变更后权利人:朗盛德国有限责任公司 地址: 德国莱沃库森登记生效日:2008.1.4|||授权|||实质审查的生效|||公开

IPC分类号:

C02F1/28; C01G49/02; B01J20/06; B01D53/26; //C02F101/20

主分类号:

C02F1/28; C01G49/02; B01J20/06; B01D53/26; //C02F101/20

申请人:

拜尔公司;

发明人:

A·施莱格尔; P·贝利; J·基施克维茨; K·罗博克

地址:

德国莱沃库森

优先权:

2000.09.26 DE 10047996.0; 2000.09.26 DE 10047997.9; 2001.03.29 DE 10115418.6; 2001.03.29 DE 10115415.1; 2001.03.29 DE 10115417.8; 2001.03.29 DE 10115414.3; 2001.06.18 DE 10129307.0; 2001.06.18 DE 10129304.6; 2001.06.18 DE 10129306.2

专利代理机构:

上海专利商标事务所

代理人:

周承泽

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内容摘要

本发明涉及一种过滤装置,装有由高比表面积的氧化铁和/或羟基氧化铁微细粒子组成的颗粒。本发明还涉及所述颗粒的制备方法以及在过滤装置中的用途。

权利要求书

1: 一种流体介质能够流过以从流体除去其污染物的过滤装置,它包括一个滤筒壳 体(4),该滤筒壳体由具有居中的进口管(6)、在相对两个端部的平型过滤层(3)、(10)、 确保需净化流体流入进口(1)和出口管(12)的盖以及底部部件(9)的容器构成,其特征 在于所述滤筒壳体(4)中有微细粒子的氧化铁和/或羟基氧化铁组成的团粒床层,所述 微细氧化铁和/或羟基氧化铁的BET比表面积为50-500米 2 /克,较好为80-200米 2 / 克;如果合适的话,所述团粒可含有BET比表面积低于上述范围的氧化铁颜料,这 些氧化铁颜料的含量最多可以大到使团粒的强度相对于流动介质的力来说足够高, 使流动介质对团粒的作用应力不会引起团粒材料发生不好的磨损,这样,按照需要, 需净化的流体流经进口(1)、进口管(6)、筛篮(7)、底部空间(9)中的过滤材料(8)、下 部的玻璃料烧结板(10),之后通过接触室(4)内的吸附剂材料(5)、上部的玻璃料烧结 板(3)和有过滤材料(2)的盖子空间,然后通过出口、出口管(12)排出。
2: 如权利要求1所述的过滤装置,其特征在于通过推入配合或螺纹结合使壳体内 的空间(4)与盖(13)和/或底部部件分离。
3: 如权利要求1或2所述的过滤装置,其特征在于可以从滤筒壳体上取下进口管。
4: 如权利要求1-3中任一权利要求所述的过滤装置,其特征在于所述用来除去气 体中污染物的平型过滤系统(3,10)由疏水性膜组成。
5: 如权利要求4所述的过滤装置,其特征在于所述疏水性膜是聚四氟乙烯。
6: 权利要求1-3中任一权利要求所述的过滤装置,其特征在于所述用来除去气体 中污染物的平型过滤系统(3,10)由亲水性膜组成。
7: 如权利要求6所述的过滤装置,其特征在于所述亲水性膜是吸附材料膜。
8: 权利要求3-7中任一权利要求所述的过滤装置,其特征在于所述膜的孔径在   0.2-0.5微米范围,较好为0.2微米。
9: 如前述权利要求中任一权利要求所述的过滤装置,其特征在于在其一面或两面 上载有至少一层平型过滤层(3,10)。
10: 如前述权利要求中任一权利要求所述的过滤装置,其特征在于所述盖子上有 气体逸出用的阀。
11: 如前述权利要求中任一权利要求所述的过滤装置,其特征在于所述壳体(4)构 造成截去尖端的锥体状。
12: 如前述权利要求中任一权利要求所述的过滤装置,其特征在于流体以和权利 要求1中所述方式相反的方向流过。
13: 如权利要求1-12中任一权利要求所述的过滤装置,其特征在于所述流体介 质是液体。
14: 如权利要求1-12中任一权利要求所述的过滤装置,其特征在于所述流体介 质是水。
15: 一种由氧化铁和/或羟基氧化铁微细粒子制备团粒的方法,其特征在于,先用 本身已知的方法制备微细氧化铁和/或羟基氧化铁的水悬浮液,所述微细氧化铁和/或 羟基氧化铁的BET比表面积为50-500米 2 /克,较好为80-200米 2 /克;然后用下述 方法之一除去悬浮液中的水和溶解组分: 先仅从悬浮液中除去水,优选通过蒸发,然后将得到的残留物重新分散在水中, 过滤得到的悬浮液,洗涤残留物,最好洗涤至不含盐,将作为残留物得到的滤饼全 部脱水,并粉碎得到的材料至所需形状和/或尺寸;或者将滤饼部分脱水至充分呈固 态,然后将得到的糊状物成形,再进一步干燥得到颗粒状; 或者: 过滤悬浮液并洗涤残留物,使其含盐量较低,然后要么将作为残留物得到的固 态至半固态糊状物的滤饼完全脱水,再粉碎得到的材料至所需形状和/或尺寸;要么 将滤饼部分脱水至充分呈固态,使得到的糊状物成形,再进一步干燥成颗粒状态; 如果合适的话,再将得到的材料通过细磨或粗磨进一步粉碎。
16: 一种制造吸附剂/反应介质的方法,其特征在于: (a)在氧化铁/羟基氧化铁包括Fe(OH) 2 的含水悬浮液中加入铝、镁和/或钛的氧化 物或羟基氧化物或它们的老化产物和次级脱水产物,然后 (b1)或者将该悬浮液干燥至固态,该固体材料然后机械粉碎至所需形状和/或尺 寸,或 (b2)如果合适的话,该悬浮液在预干燥后以半固态进行机械成形,随后进一步干 燥至固态。
17: 如权利要求15或16所述的方法,其特征在于氧化铁和/或羟基氧化铁包含基 于α、β、γ、δ、δ′、ε和/或Fe(OH) 2 相,铁氧磁相(ferrihydrite)以及它们的混合相和中 间相的结构。
18: 如权利要求15或16所述的方法,其特征在于除氧化铁和/或羟基氧化铁外还 使用碳酸铁或代替使用之。
19: 如权利要求15或16所述的方法,其特征在于将所述氧化铁和/或羟基氧化铁 与Fe、Al、Mg、Ti元素的氧化物和/或羟基氧化物进行固化。
20: 如权利要求15-19中任一权利要求所述的方法,其特征在于使用的氧化铁和/ 或羟基氧化铁是购得的常规颜料。
21: 如权利要求15-19中任一权利要求所述的方法,其特征在于使用的氧化铁和/ 或羟基氧化铁是透明颜料。
22: 如权利要求15-21中任一权利要求所述的方法,其特征在于使用选自碳酸盐、 氯化物、氟化物、硝酸盐、硫酸盐、硫化物来沉淀出Al、Mg或Ti的氧化物和/或羟 基氧化物。
23: 在如权利要求1-14所述的装置和系统中使用如权利要求15-22所述方法获得 的团粒。
24: 如权利要求15-22所述方法获得的团粒在净化气体中的应用。
25: 如权利要求15-22所述方法获得的团粒在净化液体中的应用。
26: 如权利要求15-22所述方法获得的团粒在水处理中的应用。
27: 如权利要求15-22所述方法获得的团粒在从水中除去重金属、磷化合物、锑 化合物、铍化合物、硒化合物、碲化合物和氰化物中的应用。
28: 如权利要求15-22所述方法获得的团粒在从中水除去砷化合物中的应用。

说明书


吸附器以及氧化铁吸附剂

    本发明涉及一种需处理的液体从中通过的吸附器,具体是填充有造粒的或粉碎的不溶于水的固体吸附剂,尤其是羟基氧化铁(iron(oxy)hydroxide)的过滤吸附器,用来从饮用水中除去砷或重金属。这种装置例如可以装接在家中的卫生和饮用水源。

    本发明还涉及制备填充在本发明过滤装置中的羟基氧化铁吸附剂的方法。

    国家科学院的研究于1999年证实了饮用水中的砷会引起膀胱癌、肺癌和皮肤癌。

    在井水、自来水或饮用水被砷或其它重金属污染的地区通常遇到的一个问题,是附近没有适用于能连续除去污染物的饮用水处理厂或适合设备。

    众所周知,用于净化液体(特别是污染的水)的滤筒中可含有吸附剂,已知有许多不同的实例。

    为了从水中分离出固体物质,例如安装在合适的壳体内的以薄膜滤筒可以使用。

    Brita Wasser-Filter-System GmbH公司揭示了用于处理液体地滤筒和装置(DE-A19905601、DE-A 19915829、DE-A 19814008、DE-A 19615102、DE-A 4304536和US-A6099728)。这些装置特别适用于在使用饮用水之前,在家用饮水器中使饮用水完全或部分脱盐。

    US-A 4,064,876公开了一种制成滤筒的过滤装置,它有一个在聚酯型聚氨酯泡沫材料层和玻璃纤维层之间的活性炭颗粒层。

    DE-A 19816871(Sartorius)描述了一种用于从流体中除去污染物的过滤装置。

    RU-A 2027676描述了一种与住宅自来水龙头连接的装有饮用水净化吸附剂的滤筒。

    HU-A 00209500描述了一种用于从水中除去放射性物质和重金属的滤筒。这种滤筒填充了离子交换材料、活性炭、滤砂、沸石、氧化铝和赤泥的混合物。

    吸附筒中通常填充有活性炭或离子交换树脂。然而,活性炭的缺点是不能将水中的砷盐和重金属盐清除到足够的程度,这是因为活性炭的吸附能力低,且会影响吸附器芯子的使用寿命。

    离子交换树脂的缺点是其结合水溶液中离子的选择性很差,经常在吸附中发生竞争反应。离子交换剂的另一个缺点是其吸附容量与水的pH密切相关,因此需要大量化学试剂来调节水的pH,当在家庭中使用吸附筒时,这是不实用的。

    接触剂和吸附剂颗粒,包括那些基于氧化铁和/或羟基氧化铁的接触剂和吸附剂颗粒,已经见诸报道。它们主要用于通常在要处理的介质流经塔状或柱状装置中进行的连续过程中。在上述颗粒的内外表面上发生化学或物理反应或吸附过程。为此目的,不能使用粉状材料,因为它们会在介质流动的方向上发生聚集,结果增加了对流动的阻碍,直至堵塞装置。如果用反洗的方法清洗装置(见下文),大量的粉末就会被冲出来、流失掉或导致废水的严重污染。

    然而,流动介质也对会颗粒施加力,导致颗粒的磨损和/或运动,甚至剧烈的搅拌。结果颗粒间相互碰撞,最终出现不希望出现的磨损。而且这也会导致接触剂或吸附剂物质的流失,以及被处理介质的污染。

    净化气体时,吸附剂用于吸附器中,从废气中吸附不需要的成分,如硫化氢、硫醇、氢氰酸、其它的磷化合物、砷化合物、锑化合物、硫化合物、硒化合物、碲化合物、氰化合物和重金属化合物,也可以吸附HF、HCl、H2S、SOx、NOx之类的气体。

    例如,在US-A5,110,330中描述了干燥气体用的滤筒。

    也可以从废油和其它受了污染的有机溶剂中除去磷化合物、砷化合物、锑化合物、硒化合物、碲化合物、氰化合物和重金属化合物。

    以氧化铁和/或羟基氢氧化铁为基的接触剂颗粒和吸附剂颗粒也用来对气相或液相中的化学反应进行催化。

    已知有不同类型的方法用吸附剂从水体系中除去微量物质和污染物。

    DE-A 3800873描述了一种基于多孔材料(如粒度细到中等的疏水化白垩)的吸附剂,用来从水中除去污染物。

    DE-A 3703169揭示了一种处理天然水用的过滤剂物质团粒的制备方法。吸附剂的制造方法是在流化床中将加入白云石粉的高岭土水悬浮液进行造粒,然后在900-950℃进行煅烧。

    DE-A 4034417公开了一种制备和使用高活性物质用于净化废气和废水的方法。该专利申请描述了Ca(OH)2与粘土、石粉、飞尘和飞灰的混合物。这种混合物可制成表面积约为200米2/克的多孔材料。

    用于这种目的的所述各种方法和吸附剂有一个共同的缺点,是对选择吸附需净化介质中各成分起作用的吸附剂各组分即实际的吸附剂必须要有大量添加剂来形成颗粒。结果,需除去的水污染物的吸附容量明显下降。而且,处理这种材料的后续操作会成为问题,因为用作粘合剂的外加材料必须还要先除去。

    DE-A 4214487描述一种从水中除去杂质的方法和反应器。水流水平地通过一个漏斗形反应器,在该反应器中,絮状微细氢氧化铁用作水中杂质的吸附剂。此方法的缺点是使用絮状的氢氧化铁,而由于水与氢氧化铁之间的密度差较小,所以该反应器只能在很低流速下进行操作,所以存在可能已载有污染物的吸附剂与水一起排出反应器的危险。

    JP-A 55132633描述了一种可用作砷吸附剂的赤泥颗粒,它是铝生产的副产物。这种赤泥由Fe2O3、Al2O3和SiO2组成。该专利中没有报道这种颗粒的稳定性和造粒方法。这种吸附剂的另一个缺点是此产品组成的稳定性、其获得来源不确定,并且处理的饮用水可能被铝污染。由于铝被疑为会促使Alzheimer疾病的发展,应特别避免被铝污染。

    DE-A19826186描述了一种含氢氧化铁的吸附剂的制备方法。以水可分散的方式将一种聚合物水分散液混合到氢氧化铁中,然后干燥成固态,之后将此固态材料机械粉碎成要求的形状和/或尺寸,或者如果适当的话,将此悬浮混合液在预干燥后,机械成形然后最终干燥达到固态。结果制得氢氧化铁牢固地嵌在聚合物中的材料。据称该材料对废水或废气中存在的污染物具有高的结合能力。

    该方法的一个缺点是使用有机粘合剂,该粘合剂会因沥滤和/或磨损而污染到处理的水中。另外,又不能确保吸附剂混合物长时间使用的稳定性。有机粘合剂还可作为细菌和其它微生物的营养介质,因此,存在该吸附剂与微生物接触时微生物会繁殖而污染水的危险。

    原则上,存在生产吸附剂所需的不同类型有机助剂,对于操作、再循环或进一步处理使用过的吸附剂都是不利,因为利用纯物质比利用混合物问题少。例如,所用的聚合物粘合剂在进一步处理氧化铁基吸附材料供给混凝土上色的颜料的过程中是不利的,因为这些粘合剂会妨碍颜料在液态混凝土中的分散。

    DE-A 4320003描述了用胶状氢氧化铁或氢氧化铁团粒从地下水中除去溶解砷的方法。为了能使用微细氢氧化铁(III)悬浮液产品,该专利中建议将氢氧化铁悬浮液送入填有内或外孔隙率都高的颗粒材料或其它载体的固定床过滤器中。这种方法的缺点是“基底+氢氧化铁”的吸附剂仅能达到低的比负载能力。另外,由于在基底和氢氧化铁之间只有弱的结合力,所以在以后它用来处理含砷水时,存在排出氢氧化铁或砷酸铁的危险。另外,该专利提到用氢氧化铁团粒作为固定床反应器中的吸附剂材料。所述氢氧化铁团粒的制备方法,是在零下5℃的温度中和酸性铁(III)盐溶液,然后冷冻调理(冷冻干燥)得到的氢氧化铁。此制备方法能耗高,并会产生受大量盐污染的废水。此外,该制备方法最后只能得到非常细的颗粒,机械稳定性又低。在用于固定床反应器的情况下,颗粒尺寸范围在操作过程中由于团粒的机械磨损而减小,这又转而引起负载或未负载吸附剂的细团粒从反应器中流失。这些颗粒的另一个缺点是,如果颗粒失水,例如因较长时间闲置时干燥引起的失水,其对砷化合物的吸附能力会显著下降。

    US-A-5,948,726公开用作吸附剂/粘合剂体系,它们是通过从(a)可交联的胶状金属氧化物或非金属氧化物粘合剂、(b)金属氧化物之类的氧化吸附剂和(c)一种酸组成的混合物中提取足够大量的水制备的,采用的方法要使得组分(a)和(b)交联,从而形成吸附剂/粘合剂体系。从说明性实施方案来看,使用的粘合剂是胶状粘土或氧化铝。

    这些组合物的缺点是在制备中需要使用酸(第9列,第4行),而且它们不是纯物质,而是多相物质,这不仅对此类吸附剂的制备和再生不利,而且也不利于它们的处理或最后的堆放,例如堆放在垃圾堆中。此文献所揭示的范围据称是包括了适合吸附砷的吸附剂,但是没有提供具体实例。就对砷的吸附能力而言,已知氧化铝远远不如氧化铁。

    对于水的处理,用连续操作的吸附器比较好,它们通常分组并联工作。为了除去饮用水中的有机杂质,这些吸附器装有活性炭。在消耗该饮用水的高峰期,所用吸附器就并联工作,以防流速超过设计的最大限度。在水的低消耗期间,有些吸附器就分别停止工作,并且在此期间加以维护,例如此时吸附剂材料受到特定的应力。关于这一点,下面对此有更详细的描述。

    对例如可用大的线性力压实氧化铁粉制得的颗粒的用途也已有所报道。现已描述了将这种颗粒用于均匀地使液体混凝土着色。压实时使用高线性力耗能很大,因而成本高,且在较长时间使用吸附剂的情况下,压实材料的稳定性不能令人满意。因此,这些材料仅能有限地用于净化水的吸附剂,具体言之,是连续操作的吸附剂。具体言之,在通过反洗维护或清洁吸附系统时(参考下文),由于被搅动,吸附剂颗粒会流失大量的物质。而由于磨损,反洗水会非常混浊。出于如下原因这是不能接受的:首先,长期使用后,失去的吸附剂材料带有大量污染物,因此是有毒害的。其次,废水流含有可沉淀的磨损物,从而会损害管道系统。最后,由于上述原因使废水处理厂受到物理的或有毒物的污染。以上只是列出几个原因。

    本发明的目的是提供使用羟基氧化钠铁颗粒或氧化铁颗粒作为接触剂或吸附/反应剂,从饮用水、维护用水、矿泉水、庭院用水、农用水、圣水和治疗用水中除去砷和重金属的过滤装置,其优点是装填吸附剂的性能确保高效除去溶解的污染物,同时承受在吸附剂壳体内的机械应力和水压应力,另外,所装过滤器的过滤性能安全,能防止排放悬浮杂质或带有污染物的磨损下来的吸附器部分。

    本发明的接触剂或吸附剂/反应剂,它们的制备方法、应用,以及填充这些材料的装置,共同实现了本发明的总目标。

    通过由塑料、木材、玻璃、陶瓷、金属或复合材料的壳体构成的过滤装置来达到本发明目的,这些装置上有进口和出口。图1a和1b中所示为简单类型实施方案的例子。在DE-A 19 816 871中详细描述过这种壳体。进口和出口由平型过滤层覆盖的包含羟基氧化铁吸附剂床层的实际壳体内的空间分隔。因此,被处理的流体连续通过第一平型过滤层、吸附颗粒、第二平型过滤层至出口。壳体中的空间全部或部分填充有吸附剂颗粒。壳体较好是圆锥形或角锥形,但也可以是圆柱形、球形、平行六面体形或椭圆形。借助壳体空间的锥度(参见图1b),可以在任一需要的层上进行过滤操作,不会在吸附剂颗粒之间形成旁路(即是需过滤的流体无阻碍地未经吸附就通过)。用吸附剂颗粒床层填装壳体内总体积的97-99%,能确保净化流体的高流量,因为吸附剂颗粒的稳定性,进入液体的阻力较小。

    本发明的较好实施方案中,呈锥形截面的壳体构造成截去尖端的圆锥体或角锥体。

    根据应用领域,如DE-A 19 816 871中所述,用于平型过滤层使用的各种材料。

    图2a和2b所示为改进的吸附槽的实施方案。图2a和2b示出一种家用过滤器的纵向截面情况。

    装有羟基氧化铁吸附剂材料(5)的吸附器壳体(4)具有设置在顶端(3)和底端(10)的过滤板和位于中央的进口管(6),在顶端用盖子(13)通过螺纹连接和在底部用底部支撑物(9)通过螺纹连接装配,松开这些连接可以作为一个独立的装置拆下。如果要装入滤筒,可插入新的滤筒,并清洁底板和盖板。在顶端,进口管(6)通过合适的垫圈保证在使用期间牢固地固定于进口(2)。进口管可从滤筒壳体上取下,插入新的滤筒壳体。由于进入的液体直接流到筛篮(7)上,筛篮预过滤掉悬浮物、藻类等,使这些物质不进入到实际的吸附剂滤筒,所以吸附剂材料不会聚集或粘结在一起。筛篮(7)用来使进入的液体均匀分布进入底部空间,因此宜为截去尖端的锥形,并完全闭合进口管,并通过松的密封圈固定到进口管和过滤板(10)闭合之。筛篮布可以是常用的细目过滤材料,例如,塑料、天然材料或金属。

    螺旋拧上的底部部件(9)还可有合适的过滤材料或非织造过滤器(8),可根据预期悬浮物的类型和量进行选择。在存在大量外来固体物时,筛篮(7)和非织造滤器(8)能够通过螺旋拧下底部部件而方便地取下并进行清洁。由细孔陶瓷组成的过滤板(10)将底部空间(9)与装有羟基氧化铁的吸附剂空间(5)隔开,以免吸附剂材料通过而进入底部空间以及预过滤的物质通过而进入吸附剂空间。让需净化的水从底部至顶部向上通过装有羟基氧化铁的吸附剂空间,要除去的污染物通过物理吸附和/或化学吸附到吸附材料上而除去。在滤筒壳体顶端的另一过滤板可防止吸附剂材料通过而至出口(12)。由于升高的水压和吸附槽长期使用,吸附剂材料会因摩擦而落下细小物质,通过过滤板(3)。为了避免这些细小物质(带有污染物的)通过而进入出口,在盖(13)中可嵌埋一层过滤材料或非织造过滤器(11),来留住细小物质。

    过滤板(3)和(10)还可用来将流体均匀分布到吸附剂空间(5)或均匀地再收集排出的流体。没有外来物质和污染物的洁净水则通过出口(12)离开吸附槽。

    盖(13)可另外具有一个阀,使开始操作时夹带的气体(如在滤筒壳体中的空气)逸出。

    根据本申请,可以相反顺序操作上述吸附槽(图2b)。这意味着需净化的水从进口(1)直接进到能保留悬浮物和外来物体的预过滤器(11),然后通过过滤板(3)进入吸附剂空间,使溶解的污染物吸附到吸附剂材料上,再通过滤筒底板(10)进入嵌埋有过滤材料(8)的底部空间(9)中,留下被磨损的吸附剂材料,筛篮(7)还可起到过滤作用,因此,净化后的水通过出口管(6)和出口离开吸附管槽。图3显示单独使用滤筒的情况。

    然而,按照与上述相同的原理操作的一个简单实施方案示于图4。显示的吸附槽装有本发明的吸附剂颗粒,在槽中滤筒形成一个单元。

    很明显,原则上还可有类似于上述结构并按照上述方式操作的其它实施方案和设计,即包含水的进口和出口以及氧化铁和/或羟基氧化铁作为吸附剂。

    图5所示为填充有吸附剂颗粒的过滤袋,可用来从需净化的水通过吸附除去其中存在的污染物。

    例如已知有各种形式的过滤袋和提取袋,在制备热泡饮料尤其是茶的实施方案中使用。例如,DE-A 839 405描述了这样的折叠袋,用来砌茶等。通过特殊的折叠技术可形成双袋体系,确保流出液与需提取的物质充分混合。

    然而,基于同样理由,将氧化铁和羟基氧化铁粉碎,制成细或粗的团粒,嵌入具有过滤作用的可半渗透性的袋中(例如上述的折叠袋),需净化的水通过此过滤袋在一定接触时间后,通过吸附到吸附材料上,来除去水中的污染物(参见图5)。首先,氧化铁和/或羟基氧化铁在过滤袋中承受机械应力和水压应力,其次,由于过滤膜的过滤作用,磨损产生的吸附剂细小物质排出到需净化的水中就得以防止。

    本发明的各实施方案中,其共同的一点是,细颗粒、粗颗粒或粉碎形式的氢氧化铁或羟基氧化铁装入壳体,从而具有过滤作用,使需净化的液体流过过滤器壳体或向需净化的液体提供过滤器包装,因此能确保吸附污染物。

    为了制备本发明的颗粒,首先要根据现有技术制备微细羟基氧化铁和/或氧化铁在水中的悬浮液,然后可以用两种不同方法把水和溶解在其中的组分从悬浮液中分离掉:

    方法1:

    对于那些对颗粒/接触剂的机械强度要求不高的用途来说,首先可以只除去水,例如用蒸发的方法。得到的残留物除了微细氧化铁和/或羟基氧化铁外,还包含所有的盐。将此干燥后的残留物重新分散在水中,为此只需使用相对较小的剪切力。然后过滤此悬浮液,洗涤残留物,使之基本上不含盐。得到的残留物就是滤饼,它是固态到半固态糊状物,含水量一般为10-90重量%。

    然后将滤饼完全或部分脱水,接着将得到的材料粉碎至所需形状和/或尺寸。或者,如果合适的话,预干燥至基本上呈固态后此糊状物或滤饼可以先成形,然后进一步干燥至颗粒状态。所得颗粒在以后的用途决定了其最合适的制备方法,可由具体应用领域的熟练技术人员通过简单的初步指导性实验确定之。不仅刚干燥的滤饼,而且经干燥的成形体也可以用作接触剂或吸附剂。

    方法2:

    对于那些对颗粒/接触剂的机械强度要求较高的用途来说,先要过滤悬浮液,然后洗涤残留物,使之基本不含盐。得到的滤饼即残留物,是固态到半固态的糊状物。然后可将滤饼完全或部分脱水,接着可将得到的材料粉碎成所需形状和/或尺寸。或者,如果合适的话,预干燥至基本上呈固态后此糊状物或滤饼可以先成形,然后进一步干燥至颗粒状态。所得颗粒在以后的用途决定了其最合适的制备方法,可由具体应用领域的熟练技术人员通过简单的初步指导性实验确定之。不仅刚干燥的滤饼,而且经干燥的成形体也可以用作接触剂或吸附剂。

    虽然按照方法1得到的产物机械稳定性不够好,但过滤更容易、更快。此外,如此分离出来的微细颜料例如能更容易加入油漆和聚合物中,原因是此方法所需剪切力比加入按照方法2获得的微细颜料所需剪切力小得多。

    使用的微细氧化铁和/或羟基氧化铁的粒径达到500纳米,达到100纳米较好,在4-50纳米之间更好;BET表面积为50-500米2/克,80-200米2/克更好。

    初级颗粒的粒径用扫描电镜测定,此时例如放大60 000∶1(仪器:XL30 ESEMFEG,菲利普)。如果初级粒子是针状的,例如是α-FeOOH相,则可以把针宽作为粒径的量度。对于纳米大小的α-FeOOH粒子,发现了大达100纳米的针宽,但针宽主要在4-50纳米之间。α-FeOOH初级粒子的长宽比一般为5∶1至50∶1,典型的为5∶1至20∶1。不过,通过搀杂或特殊的反应过程,针状粒子的长宽比是可以改变的。如果初级粒子是各向等大小的,如是α-Fe2O3、β-Fe2O3、Fe3O4这些相,粒子的直径都小于20纳米。

    把纳米氧化铁粒子或羟基氧化铁粒子与颜料和/或Fe(OH)3混合后,扫描电镜显示所加的颜料或晶种粒子以它们的已知的微粒子形态存在,并通过纳米晶种或无定形Fe(OH)3聚合物连在一起或相互粘着在一起。

    可以对方法1)和2)得到的产物接下来能进一步粉碎,例如通过粉碎或研磨。因为该产物与水初次接触,例如在新装吸附剂的设备中第一次通水时,会自动减小粒度,当然,这不一定总会发生。

    另外一种被证明为有效的制备颗粒的方法是对半湿糊状物进行造粒。在此情况中,由半固态糊状物成形为片状物或棒状物,例如用简单的孔板、辊压机或挤压机,然后,或者立即干燥此产物,或者进一步用球化机把这些挤出物变成球形团粒。接下来,可把所得仍然比较湿的球形颗粒干燥到所需含水量。为了防止颗粒聚集成块,建议残余含水量<50%。与粉碎的棒状颗粒或片状团粒相比,这样的球状团粒在用于固定床吸附剂中是有利的,因为吸附容器中床的填充得到了改善。

    一般说来,为了改善悬浮液的过滤性能,可以采用惯常的改进过滤的方法,如《固—液过滤和分离技术》(A.Rushton,A.S.Ward,R.G.Holdich著,2000年第2版,Wiley-VCH,Weinheim)和《工业固/液过滤手册》(H.Gasper,D.Ochsle,E.Pongratz著,2000年第2版,Wiley-VCH,Weinheim)中所述。例如,可向悬浮液中加入絮凝剂。

    除了羟基氧化铁,也可以用碳酸铁,或者用后者代替前者。

    本发明产物可以在空气和/或真空和/或干燥箱和/或带式干燥器中,或通过喷雾干燥法进行干燥,较好在-25至250℃范围、更好在60-120℃的温度范围内进行。

    本发明产物含有低于20重量%的残余水量比较好。

    已经发现,得到的小片或颗粒对水、液体或气体中存在的污染物具有高的结合能力,另外,它们对流动介质引起的机械应力或水压应力具有足够高的稳定性。

    特别令人惊奇的是,具有高比表面积的微细羟基氧化铁或氧化铁在干燥期间能固化成非常坚硬的团粒,不需要加粘合剂,就对流水具有大的抗机械磨损性能和大的水压稳定性,并且对水中存在的污染物和痕量物质具有大的结合能力。

    对于微细羟基氧化铁的本发明用途,举例来说,比表面积大于80米2的透明羟基氧化铁颜料就合适。然而,也可以用同样微细的氧化铁颜料,特别是赤铁矿、磁铁矿或磁赤铁矿。

    原有技术中,是在酸性或碱性pH值范围内制备微细黄色羟基氧化铁颜料(例如针铁矿)的方法,这些颜料被称为酸性或碱性晶种。其他微细氧化铁或羟基氧化铁颜料的制备方法在原有技术中也是有的。这些颜料可以包含α、β、γ、δ、δ’、ε相和/或Fe(OH)2,以及它们的混合相和中间相。微细黄色羟基氧化铁可以煅烧形成微细红色氧化铁。

    透明氧化铁和羟基氧化铁的制备可见于例如DE-A 2 603 050 BIOS 1144第29-33页,或FIAT 814第1-26页。

    微细黄色羟基氧化铁颜料的制备通常是从相应的铁(II)盐溶液,例如纯FeSO4、FeCl2或其酸洗液,在酸性或碱性pH范围内沉淀出氢氧化铁(II)或碳酸铁(II),然后氧化形成羟基氧化铁(III)(在各种文献中,可参见G.Buxbaum著《工业无机颜料》,VCH Weinheim,第2版,1998年,第231页起)。二价铁到三价铁的氧化反应较好采用空气,大量通入气体比较有利。用H2O2氧化同样能得到微细羟基氧化铁。为了得到高度微细的黄色颜料,沉淀和氧化过程中选用的温度应尽可能低。在15-45℃之间较好。NaOH可优先用作碱性沉淀剂。不过,其他沉淀剂也可以采用,如KOH、Na2CO3、K2CO3、CaO、Ca(OH)2、CaCO3、NH3、NH4OH、MgO和/或MgCO3。

    为了使沉淀颜料具有必需的高度微细的状态,如专利US-A 2 558 303和US-A 2558 304所述,沉淀过程(例如黄色α-FeOOH的沉淀)要在碱性pH范围内完成,可以用碱金属碳酸盐作沉淀剂,通常还要加入改性剂,例如SiO2、锌盐、铝盐或镁盐、羟基羧酸、磷酸盐、偏磷酸盐。这样制备的产物可见于US-A 2 558 302。像这样的晶种改性剂不会干扰/妨碍后面对本发明吸附剂进行的处理、再循环或其他类型的应用。对于在水介质中进行的沉淀过程,就目前掌握的知识,在碱性环境中沉淀所得粉末的聚集程度不如在酸性环境中得到的紧密。

    DE-A 4 235 945报道了在酸性pH范围不加改性剂的情况下通过沉淀过程制备精细分散氧化铁的方法。

    DE-A 4 434 669描述了通过用氢氧化钠溶液后处理来制备高度透明的化学纯氧化铁颜料。

    DE-A 4 434 972报道了α-FeOOH改性的高度透明的黄色氧化铁颜料,它们的比表面积超过100米2/克,热稳定性很高。

    DE-A 4 434 973描述了通过下述步骤制备高度透明的黄色氧化铁颜料:在酸性pH范围进行的晶种沉淀、晶种氧化、晶种熟化和颜料生成。

    DE-A 4 434 668和DE-A 4 235 946报道了通过煅烧黄色透明氧化铁颜料形成红色透明氧化铁颜料。

    纯的或任何混合物形式的不同相态的羟基氧化铁是通过已知的沉淀过程和氧化反应从铁(II)盐溶液得到的,得到的羟基氧化铁(若合适的话,先经过后处理),对盐溶液过滤而从悬浮液中分离出来,并洗涤至基本不含盐,最好至残余电导率<5mS/cm;接下来,固态或半固态滤饼可以就这样,若合适的话或者在机械成形之后,进行干燥变成固态,得到高机械强度的材料,该材料对废水或废气中通常存在的污染物具有大的结合能力。

    干燥最好在高达250℃的温度进行。也可以真空干燥或冷冻干燥。该材料的粒径可以任选的,但在0.2-40毫米之间较好,在0.2-20毫米之间尤其好。要做到这一点,可以在干燥之前用造粒或造片系统或挤压机对半固态的糊状滤饼进行机械成形,得到粒径在0.2-20毫米之间的成形体,然后在空气中用带式干燥器或干燥箱干燥;和/或干燥后用机械方法粉碎至所需粒径。

    与原有技术相比,上述产物、其制备方法及其运用都有进步。与由羟基氧化铁和/或氧化铁粗颗粒制得的粒径相比,本发明基于微细羟基氧化铁和/或氧化铁的颗粒能承受大得多的负载,因而对机械应力和水压应力具有大得多的耐磨损稳定性。它们可以就这样直接应用。对从滤饼或挤压机得到的原始粗干物质进行粉碎过程甚至也可以省掉,例如当用于净化水的吸附剂系统时,因为粗的团粒在与水的接触中就会自动减小尺寸。在此情况下,会出现粒径的随机分布,但没有由于流动介质的作用而会从吸附器显著排出的连接的团粒。

    像常规的羟基氧化铁以可流动粉末形式使用时所必需附加的专门造粒过程(在其压实过程中借助外加粘合剂或非常高的线性力),在这里也可以完全省去。

    根据本发明,微细羟基氧化铁或氧化铁的悬浮液也可以与常规的羟基氧化铁或氧化铁粉末混合。它们各自的用量取决于这些羟基氧化铁或氧化铁粉末的性质和对发明产品与产品的机械稳定性和耐磨损强度有关的要求。尽管粉状颜料的加入通常会降低本发明产品的机械强度,但可能有助于微细悬浮液过滤的进行。在各应用领域的熟练技术人员能够用很少的初步实验就能确定其应用所需的最佳混合比例。

    微细晶种的碱性悬浮液也还可以与相当于NaOH过量的Fe3+、Al3+、Mg2+、Ti4+或其混合物盐的水溶液混合,使足够量的Fe(OH)3、Al(OH)3、Mg(OH)2、TiO(OH)2微溶沉淀物或其老化产物和次级脱水产物沉淀到悬浮的氧化铁粒子和/或羟基氧化铁粒子上;或者反过来,也可以通过加入NaOH、Ca(OH)2、KOH、CaCO3、Na2CO3、K2CO3、NH4OH之类的碱将Fe(OH)3、Al(OH)3、Mg(OH)2、TiO(OH)2微溶沉淀物或它们的老化产物或次级产物沉淀到悬浮在Fe3+、Al3+、Mg2+、Ti4+溶液中的氧化铁粒子和/或羟基氧化铁粒子上。氧化铝或羟基氢氧化铝也可以由铝酸盐(例如NaAlO2)悬浮液沉淀到氧化铁粒子和/或羟基氧化铁粒子上。

    最初得到的无定形Fe(OH)3或Al(OH)3随时间老化,例如成为FeOOH或AlOOH相。这样能确保完全消耗在制备碱性晶种中过量使用的氢氧化钠溶液。产物还具有大的比表面积。这种材料正如上述纳米羟基氧化铁粒子一样特别适合用作吸附剂,因为这种吸附剂除了具有大的吸附容量外,还对机械应力具有高的稳定性。

    特别值得推荐的是将本发明颗粒用来净化液体,尤其是用于除去重金属。在本技术领域的一个较好用途是净化水,尤其是饮用水。不久前,从饮用水中除去砷已经引起了特别的关注。本发明颗粒非常适用于此目的,因为利用本发明颗粒所达到的浓度不仅符合美国环保署规定的下限值,而且还能低于这些值。

    为此目的,所述颗粒可用于常规的吸附器装置,例如装有活性炭用来除去其他类型污染物的装置。可以采用间歇操作,例如在水塔或类似的容器中,它们可以装有搅拌器。不过,用于连续系统如连续流动吸附器中比较好。

    因为在要处理成饮用水的未经处理的水,通常还含有有机杂质,如藻类和类似微生物,所以吸附剂的表面,尤其是颗粒型吸附剂的外表面,在使用中常常会被细小的沉积物覆盖,从而妨碍甚至阻止了水的进入,并因此阻碍了对其要除去的污染物成分的吸附。由于这个原因,最好在装置的水处理量比较低的时间里,让有些吸附器停止使用,不时地用水反洗。在此情况下,在含吸附剂的水中造成漩涡,团粒表面上受到机械应力作用,不需要的覆盖物就被除去,在此反洗过程中随方向与工作状态水流方向相反的逆流排出。冲洗的水通常排到污水处理设备。在此情况中,本发明的吸附剂显示出特别好的可维护性,因为它们的高强度使得在短时间内清洗成为可能,而不会造成冲洗中发生的吸附剂材料显著流失,排到废水中的反洗用水也不会受到流失的吸附剂材料的高度污染,甚或受到重金属的高度污染。

    合适的预过滤器和后过滤器能截留会堵塞吸附滤筒的杂质。

    由于本发明颗粒的稳定性以及可以适当填充吸附剂颗粒,能使材料磨损达到最小。

    已经证实粒度<250微米的羟基氧化铁喷射颗粒特别有利,原因是这种颗粒能达到特别好的装填密度。

    因为本发明颗粒不含外加粘合剂,所以此材料使用后的弃置相对简单。例如,其吸附的砷能通过热处理或例如在一特殊装置中用化学方法除去;还能得到纯氧化铁颜料,可以将它再循环使用,或者用在传统颜料的用途中。依据用途和法律条款,吸附剂的此组分也可以无需事先除去重金属而直接使用,例如作为颜料为混凝土等永久性建筑材料上色,因为从饮用水除去的重金属可以用这种方法永久性固定,从而从水循环中去掉了。

    因此,如同用这类装置净化水的方法以及此类装置本身一样,装有本发明颗粒的装置的水处理设备或自来水厂也是本发明的主题内容。

    对于许多用途,特别是那些不需要最大机械强度颗粒的用途来说,在本发明的颗粒中加入粉状颜料是一个优选的实施方式。

    举例说,如果得到的本发明颗粒是用于吸附器中用;来从在其中流过的饮用水中除去砷,那么本申请实施例2中的晶种悬浮液可以与高达40重量%的市售针铁矿(Bayferrox920,Bayer AG,Leverkusen DE)混合。

    本发明产品的比表面积依据DIN 66131(1993)的规定,用单点BET法测定,载气为(He∶N2=90∶10)。在测量前,样品在140℃干燥氮气流中加热1小时。

    为了测定砷(III)和砷(V)的吸附速率,将初始浓度为约2-3毫克/升砷的3升NaAsO2或Na2HAsO4水溶液放在5升聚乙烯烧瓶中,用3克待测吸附剂样品处理一预定时间,在此过程中在旋转滚筒上搅拌烧瓶。从As3+/5+离子在溶液中起始量和残余量之差,计算出氢氧化铁在此预定时间(例如1小时)内吸附As离子的速率,用毫克(As3+/5+)/克(FeOOH)·小时表示。

    可采用相同方式测定Sb3+、Sb5+、Pb2+、Hg2+、Cr6+、Cd2+离子的吸附速率。更具体地说,可将适量的Sb2O3、KSb(OH)6、PbCl2、NaCrO4、CdCl2溶于H2O中以制备所需浓度的溶液,并将pH调到7-9。

    吸附在羟基氧化铁上或溶液中的As、Sb、Cd、Cr、Hg和Pb含量,根据DIN38406-29(1999)的规定用质谱(ICP-MS)测定,或者根据EN-ISO 11885(1998)的规定,用光发射光谱(ICP-OES)测定,这两种方法都是用感应耦合等离子体作为激发源。

    抗机械磨损和水力磨损的强度用下述方法测定:在500毫升锥形瓶中将10克粒径>0.1毫米的待测颗粒与150毫升去离子水混合,并在LabShaker摇动机(Kühner型,购自Braun)中以250转/分钟的速度旋转30分钟。然后用筛子把>0.1毫米的级分从悬浮液中分离出来,干燥并称重。最终重量与初始重量的比给出了磨损值,用%表示。

    下面将参照一些实施例更详细地描述本发明。这些实施例仅用于说明本发明方法,并不是限制。

    实施例

    实施例1

    在24℃加入237升浓度为150克/升的硫酸亚铁(FeSO4)水溶液,然后快速加入113升NaOH水溶液(227克/升),得到的浅蓝色悬浮液用空气以40升/小时·摩尔(Fe)的速度对其氧化1.5小时。

    用压滤机过滤所得黄色悬浮液,洗涤固体至残余滤液的电导率为1mS/cm,得到可铺展可捏合的糊状滤饼,然后放在循环空气干燥箱中的薄板上75℃干燥之,至残余水份为3重量%。接下来,通过粗磨使所得干材料的粒径在0.5-2毫米之间,得到的硬团粒直接用于吸附槽中。

    所得产物由100%极短的针状α-FeOOH组成,针状物已聚集成密实的较大团粒。在扫描电子显微照片上(如放大率为60000∶1),测得针宽在15-35纳米之间,针长在150-350纳米之间。针状物高度聚集成团粒。

    所得产物的BET比表面积为122米2/克。对初始浓度为2.3毫克(As3+)/升的NaAsO2水溶液,吸附速率为2.14毫克(As3+)/克(FeOOH)·小时,对初始浓度为2.7毫克(As5+)/升的Na2HAsO4溶液,吸附速率为2.29毫克(As5+)/克(FeOOH)·小时。

    实施例2:

    在29℃加入800升浓度为150克/升的硫酸亚铁(FeSO4)水溶液,然后在搅拌条件下于20分钟内与147升NaOH水溶液(300克/升)混合。将得到的灰蓝色悬浮液与2.16千克浓度为57%的羟基乙酸水溶液混合,并用空气以38升/小时·摩尔(Fe)的速度对其氧化7小时。

    用压滤机上过滤所得暗棕色悬浮液,洗涤固体至残余滤液的电导率为1mS/cm,然后在循环空气干燥箱中70℃干燥所得的滤饼,至残余水份为5%,然后用辊式破碎机将非常硬的黑棕色干材料粗碎至粒径达2毫米。筛分掉粒径<0.2毫米的细团粒。

    根据X-射线衍射图谱,所得产物由100%α-FeOOH组成。在扫描电子显微照片上(如放大率为60000∶1),测得针宽在15-20纳米之间,针长在50-80纳米之间。针状物是高度聚集的。其比表面积为202米2/克。所得的颗粒无需进一步处理就可直接装入吸附槽中。

    该颗粒对流过的水中存在的污染物表现出优异的吸附性能,并有很高的耐磨损强度,特别是当吸附槽受到反冲洗并由此引起颗粒强烈漩动的时候。30分钟后的磨损值仅为1%。

    吸附性能:对初始浓度为2.4毫克(As3+)/升的NaAsO2水溶液,吸附速率为1.0毫克(As3+)/克(FeOOH小时)·小时,对初始浓度为2.8毫克(As5+)/升的Na2HAsO4水溶液,吸附速率为2.07毫克(As5+)/克(FeOOH)·小时。

    实施例3:

    将实施例2得到的α-FeOOH悬浮液在30℃下老化2小时,然后在搅拌条件下与1.3升300克/升的NaOH水溶液混合,再用190升空气重新氧化1小时。按照实施例2所述方法再处理所得产物,得到微细的纯α-FeOOH针状物,其BET比表面积为130米2/克。在扫描电子显微照片(放大率为60000∶1)上,测得针宽在15-20纳米之间,针长在50-90纳米之间。针状物是高度聚集的。所得颗粒证明具有很高的机械稳定性和水力稳定性,磨损值仅为3.9%。

    吸附性能:对初始浓度为2.3毫克/升的NaAsO2水溶液,吸附速率为1.1毫克(As3+)/克(FeOOH)·小时,对初始浓度为2.8毫克/升的Na2HAsO4水溶液,吸附速率为1.7毫克(As5+)/克(FeOOH)·小时。

    实施例4:

    在31℃加入306升NaOH水溶液(45克/升),并在搅拌条件下与43升FeCl2水溶液(344克/升)快速混合,然后用空气以60升/小时·摩尔(Fe)的速度氧化。所得暗黄色悬浮液再根据实施例1所述方法处理。

    根据X射线衍射谱分析,所得产物由100%α-FeOOH组成。在扫描电子显微照片(例如放大率为60000∶1)上,测得针宽在15-50纳米之间,针长在100-200纳米之间。针状物是高度聚集的,其BET比表面积为132米2/克。

    所得颗粒无需进一步处理即可直接装入吸附槽中。该颗粒对水中存在的污染物表现出优异的吸附性能,并有很高的耐磨损强度,特别是当吸附槽受到反冲洗并由此引起颗粒强烈漩动的时候。30分钟后的磨损值仅为12%。

    吸附性能:对初始浓度为2.4毫克(As3+)/升的NaAsO2水溶液,吸附速率为2.11毫克(As3+)/克(FeOOH)·小时,初始浓度为2.7毫克(As5+)/升的Na2HAsO4水溶液,吸附速率为2.03毫克(As5+)/克(FeOOH)·小时。

    实施例5:

    在24℃加入124升NaOH水溶液(114克/升),并在搅拌条件下与171升FeSO4水溶液(100克/升)快速混合,然后用空气以10升/小时·摩尔(Fe)的速度氧化。氧化完成后,立即加入56升Fe2(SO4)3水溶液(100克/升),将混合物搅拌30分钟。所得黄棕色悬浮液再按照实施例1所述方法处理。

    根据X射线衍射谱分析,所得产物由100%α-FeOOH组成。在扫描电子显微照片(例如放大率为60000∶1)上,测得针宽在15-35纳米之间,针长在70-180纳米之间。针状物是高度聚集的,其BET比表面积为131米2/克。30分钟后的磨损值仅为7%。

    吸附性能:对初始浓度为2.3毫克(As3+)/升的NaAsO2水溶液,吸附速率为1.7毫克(As3+)/克(FeOOH)·小时,对初始浓度为2.7毫克(As5+)/升的Na2HAsO4水溶液,吸附速率为1.2毫克(As5+)/克(FeOOH)·小时。

    实施例6:

    加入7905千克FeSO4,用水溶解至体积53.3米3。所得溶液冷却至14℃,并与1000千克MgSO4·7H2O混合。然后在14℃用5056千克浓度约300克/升的NaOH溶液稀释所得混合液,用空气以4000米3/小时的流量氧化,至>99.5%发生沉淀。在压滤机上过滤并洗涤,至残留滤液的电导率<1000μS/cm,将所得糊状物挤过孔径为7毫米的孔板,由此形成条状。在带式干燥器上干燥此条状物,至残留水份约3%。根据X射线衍射谱分析,所得产物由100%非常短的针状α-FeOOH组成。在扫描电子显微照片(例如放大率为60000∶1)上,测得针宽在30-50纳米之间。因为针状物高度聚集,针长无法精确测量。BET比表面积为145米2/克,30分钟后的磨损值仅为6%。

    吸附性能:对初始浓度为2.5毫克/升的NaAsO2溶液,吸附速率为1.8毫克(As3+)/克(FeOOH)·小时,初始浓度为2.9毫克/升的Na2HAsO4水溶液,吸附速率为1.5毫克(As5+)/克(FeOOH)·小时。

    实施例7:

    装入4096千克NaOH溶液(约300克/升),并用水稀释至40米3。另用水将4095千克FeSO4溶解成48.5米3的溶液,冷却至15℃,然后将其泵送进入NaOH溶液中。接下来,所得悬浮液用1500米3/小时的空气氧化约2小时。得到的约2米3晶种悬浮液在压滤机上过滤并洗涤,至滤液的电导率<1000μS/cm,在干燥箱中于75℃干燥所得滤饼,将干燥后的材料粗磨至粒径<1.5毫米。筛分掉粒径<0.5毫米的细小级分。所得产物具有BET 153米2/克的比表面积,并由100%α-FeOOH组成。在扫描电子显微照片(例如放大率为60000∶1)上,测得针宽在15-35纳米之间,针宽在50-100纳米之间。针状物是高度聚集的。

    吸附性能:对初始浓度为2.7毫克(As3+)/升的NaAsO2水溶液,吸附速率为1.7毫克(As3+)/克(FeOOH)·小时,初始浓度为2.8毫克(As5+)/升的Na2HAsO4水溶液,吸附速率为1.4毫克(As5+)/克(FeOOH)·小时。

    实施例8:

    如同实施例7制备碱性晶种悬浮液(2.7% FeOOH)1600克,在室温搅拌条件下与FeSO4水溶液(100克/升)混合,同时以130升/小时的速度鼓入空气,至pH为8。过滤并洗涤得到的晶种悬浮液,滤饼在75℃干燥,并像实施例7中那样粗磨至粒径为0.5-2毫米。所得材料的BET比表面积为163米2/克,根据X射线衍射谱分析,它由100%α-FeOOH组成。在扫描电子显微照片上(例如放大率为60000∶1),可以看到针状物是高度聚集的。吸附性能:对初始浓度为2.7毫克(As3+)/升的NaAsO2水溶液的吸附速率为2.0毫克(As3+)/克(FeOOH)·小时,对初始浓度为2.7毫克(As5+)/升的Na2HAsO4溶液的吸附速率为1.9毫克(As5+)/克(FeOOH)·小时。对于KSb(OH)6[初始浓度为3.0毫克(Sb5+)/升],吸附速率为2.5毫克(Sb5+)/克(FeOOH)·小时。对于Na2CrO4[初始浓度为47微克(Cr6+)/升],吸收速率为42微克(Cr6+)/克(FeOOH)·小时。对于PbCl2[初始浓度为0.94毫克(Pb2+)/升],吸收速率为0.46毫克(Pb2+)/克(FeOOH)·小时。

    实施例9:

    在29℃搅拌的条件下,加入6.4升NaOH水溶液(100克/升),在同时通入空气的情况下,与12.2升硫酸亚铁水溶液(100克/升)混合,调节pH至9。所得悬浮液如实施例1所述方法再处理。得到的材料的BET比表面积为251米2/克,根据X射线衍射谱分析,它由100%α-FeOOH组成。扫描电子显微照片上,可以看到粗短的针状物,它们高度聚集。磨损性能:5%。

    吸附性能:对初始浓度为2.7毫克(As3+)/升的NaAsO2水溶液,吸附速率为1.1毫克(As3+)/克(FeOOH)·小时,初始浓度为2.7毫克(As5+)/升的Na2HAsO4水溶液,吸附速率为1.0毫克(As5+)/克(FeOOH)·小时。

    实施例10:

    加入4096千克NaOH溶液(约300克/升),用水稀释至40米3。另用水将4950千克FeSO4溶解成48.5米3的溶液,冷却至15℃,然后1小时内将其泵送进入NaOH溶液中。接下来,所得悬浮液用1500米3/小时的空气氧化约2小时。约87米3的该悬浮液在搅拌条件下与14.4米3的FeClSO4(113.4克/升)混合,再搅拌30分钟。所得悬浮液在压滤机上过滤并洗涤,至滤液的电导率<1000μS/cm,通过孔径为7毫米的孔板形成糊状物,并成形为条。该条料在带式干燥器干燥至残余水份约为5%。将干燥后的材料粗磨至粒度<2毫米。所得材料的BET比表面为142米2/克,由100%α-FeOOH组成。在扫描电子显微照片(例如放大率为60000∶1)上,测得针宽在15-50纳米之间,针宽在50-150纳米之间。针状物是高度聚集的。

    吸附性能:对初始浓度为2.7毫克(As3+)/升的NaAsO2水溶液,吸附速率为2.1毫克(As3+)/克(FeOOH)·小时,初始浓度为2.8毫克(As5+)/升的Na2HAsO4水溶液,吸附速率为2.0毫克(As5+)/克(FeOOH)·小时。对于CdCl2[初始浓度为2.7微克(Cd2+)/升],吸附速率为1.1毫克(Cd2+)/克(FeOOH)·小时。对于KSb(OH)6[初始浓度为2.6毫克(Sb5+)/升],吸附速率为1.9微克(Sb5+)/克(FeOOH)·小时。对于Sb2O3[初始浓度为2.3毫克(Sb3+)/升],吸附速率为2.0毫克(Sb3+)/克(FeOOH)·小时。对于Na2CrO4[初始浓度为2.6毫克(Cr6+)/升],吸附了1.1毫克(Cr6+)。对于PbCl2[初始浓度为1.6毫克(Pb2+)/升],吸附速率为1.57毫克(Pb2+)/克(FeOOH)·小时。

    实施例11    

    1升FeOOH固含量为50克/升的Bayferrox920悬浮液与569毫升MgSO4溶液(100克/升)混合,然后,在搅拌条件下与173克浓度为24%的NaOH溶液混合,再搅拌15分钟。

    所得黄色悬浮液在真空过滤机上过滤并洗涤,至滤液的电导率为1mS/cm,在干燥箱中于75℃干燥滤饼,至残余水份<2%。产物粉碎至粒度为0.5-2毫米。此颗粒用于吸附砷。

    根据X射线衍射谱,所得产物由100%α-FeOOH组成。在扫描电子显微照片上,观察到无定形层中的α-FeOOH型针状物的相互附着或聚结。BET比表面积为43米2/克,与Bayferrox920(BET约为15米2/克)相比,为其2倍多。30分钟后的磨损值仅为11%。

    对初始浓度为2.6毫克(As3+)/升的NaAsO2水溶液的吸附速率为1.2毫克(As3+)/克(FeOOH)·小时,对初始浓度为2.7毫克(As5+)/升的Na2HAsO4水溶液,吸附速率为1.5毫克(As5+)/克(FeOOH)·小时。

    实施例12

    950克α-FeOOH的纳米颗粒晶种碱性悬浮液(固含量为5.26克/升FeOOH,1.14%NaOH)在搅拌条件下与46毫升Al2(SO4)3溶液(100克/升Al2O3)混合,再搅拌15分钟。所得棕色悬浮液在真空过滤机上过滤并洗涤,至滤液的电导率为1mS/cm,在干燥箱中于75℃干燥所得滤饼,至残余水份<2%。产物粉碎至粒度为0.5-2毫米。此颗粒用于吸附砷。

    在该产物的X射线衍射谱中仅检测到α-FeOOH。从扫描电子显微照片可见该产物是高度聚结的很短针状物。BET比表面积为102米2/克。30分钟后的磨损值仅为11%。

    对初始浓度为2.6毫克(As3+)/升的NaAsO2水溶液,吸附速率为2.0毫克(As3+)/克(FeOOH)·小时,对初始浓度为2.1毫克(As5+)/升的Na2HAsO4水溶液,吸附速率为1.5毫克(As5+)/克(FeOOH)·小时。

    实施例13

    在一搅拌槽中加入3100千克NaOH溶液(浓度为100克/升),并用冷水稀释至31米3。该NaOH溶液温度为26℃。另用水将3800千克FeSO4溶解成38米3的溶液,冷却至13-14℃,然后,在搅拌条件下,1小时内用泵送入NaOH溶液中。所得悬浮液用2500米3/小时的空气氧化75分钟。

    然后,在搅拌条件下,一边以1300米3/小时空气鼓气,一加入18.2米3的FeSO4溶液(100克/升)。

    所得晶种悬浮液在压滤机上过滤并洗涤,至滤液的电导率<1mS/cm,滤出的糊状物通过多孔板,并在带式干燥器干燥至残余水份<20重量%。将干燥后的材料粗磨至粒度<2毫米。用筛除去<0.5毫米的细颗粒级分。

    根据X射线衍射谱,该产物由100%α-FeOOH组成。在扫描电子显微照片(例如放大率为60000∶1)上,测得针宽在15-35纳米之间,针宽在50-300纳米之间。微粒高度聚集的。其BET比表面为145米2/克,30分钟后磨损值仅为5.1重量%。

    说明性实施方案14

    按照实施例1-13制备的吸附剂颗粒,粒度一般为0.5-2毫米,或者以粉料形式,通入图1或图2所述的接触室。过滤装置中作为流体的空气流量为2000毫升/分钟,此时压差为0.1巴。

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本发明涉及一种过滤装置,装有由高比表面积的氧化铁和/或羟基氧化铁微细粒子组成的颗粒。本发明还涉及所述颗粒的制备方法以及在过滤装置中的用途。。

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