除氟水厂活性氧化铝吸附工艺运行研究

北京化工大学本科生毕业设计（论文）I诚信申明本人声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人签名： 年 月 日北京化工大学本科生毕业设计（论文）II毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 除氟水厂活性氧化铝吸附工艺运行研究 学院： 化工学院 专业： 化学工程与工艺 班级： 化工 0806 学生：刘健翔 指导教师（含职称）： 丁文明（副教授） 专业负责人： 刘晓林 1设计（论文）的主要任务及目标基于水专项课题，在昌平区小汤山镇已经建立饮用水除氟示范水厂。本课题针对示范水厂的具体运行问题，进行保障正常运行以及降低运行费用的示范运行研究。该研究内容包括示范水厂的日常运行记录、运行水质检验，以及改变运行工况的运行费用计算等。2设计（论文）的基本要求和内容1、阅读 15-20 篇相关研究文献，在此基础上完成文献综述。2、熟悉示范水厂运行的常规水质检测方法，日常记录表格，以及设备日常操作。3、计量进水量，记录日常化学药剂消耗，测定进出水水质，完成日报表。4、进行吸附罐解吸再生操作，记录解吸再生化学药剂消耗，计算整个运行周期的运行费用，并与其他工程实例进行比较。5、根据学校规定的毕业论文写作规范，完成毕业论文写作。3主要参考文献1) S.Ghorai,K.K.Pant Investigations on the column performance of uoride adsorption by activated alumina in a xed-bed. Chemical Engineering Journal 98:165-173 (2004)2) 仇付国, 王晓昌. 活性氧化铝除氟吸附容量利用分析. 西安建筑科技大学学报 V34(2):141-144 (2002)4进度安排设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期1 参考文献阅读，开题报告写作 3 月 1 日3 月 25 日2 试验工作 3 月 26 日5 月 25日3 中期检查 4 月底4 毕业论文写作 5 月 256 月 10 日5 毕业论文答辩 6 月 15 日前北京化工大学本科生毕业设计（论文）I除氟水厂活性氧化铝吸附工艺运行研究摘要高氟地下水在我国分布广泛，遍及 27 个省、市和自治区，全国各地约有 7226 万人饮用含氟量超标的水。因此，除氟具有重要意义。活性氧化铝除氟，是应用较成熟，除氟效果较好的一种方法。本课题针对示范水厂的具体运行问题，进行保障正常运行以及降低运行费用的示范运行研究。该研究内容包括示范水厂的日常运行记录、运行水质检验，以及改变运行工况的运行费用计算等。示范工程包括吸附解吸活化再生循环，当进水 pH 为 6.77.8 时，吸附切换周期为 811 天。运行结果显示，MAA 除氟克服了硫酸铝改性活性氧化铝铝离子溶出的缺陷，吸附解吸活化再生循环运行正常，出水水质合格。依据示范工程运行结果进行测算，达到了降低制水成本的目标。关键词：吸附；活性氧化铝 ；除氟；设计；运行北京化工大学本科生毕业设计（论文）IIActivated alumina adsorption of fluoride removal technologyAbstractThe underground water with high concentration of fluorine is widely distributed in our country, it covers 27 provinces, cities and autonomous regions. There are about 72.26 billion people who are drinking underground water which concentration of fluorine in it is above standard all over the country. Therefore, there is great meaning for removing fluorine from drinking water. Using activated alumina to defluorinate is a method which is naturer and with better effect. But it is difficult to regenerate activated alumina after adsorb fluorine from water and researches about defluorination are not deep enough. So its important for us to study regeneration of activated alumina after adsorbing fluorine from drinking water.The subject for a demonstration water treatment plant operational problems, to safeguard the normal operation as well as reduce the operating costs of the demonstration runs. The study includes a demonstration water treatment plant daily operating records, to water test, and the change in the calculation of the running costs of operating conditions. Demonstration project included adsorption, desorption and activation. When the pH of inlet water was in the range of 6.7 to 7.8 for demonstration project, the running period was from 8 to 11 days. The operation results of demonstration project showed that MAA overcame the defects of ion release and water from demonstration project was qualified. The cost of water budget was made based on the demonstration project and test results. The least cost of water was 0.528 to 0.658 yuan / ton, reaching the goal of reducing the cost of water.Key words: adsorption; activated alumina; removal fluoride; design, operation北京化工大学本科生毕业设计（论文）III目录前言 .1第一章 文献综述 .21.1 氟化物性质及高氟水危害 .21.1.1 氟化物性质 .21.1.2 氟的来源 .21.1.3 高氟水危害 .31.1.4 氟中毒地区的分布情况 .41.1.5 饮用水除氟的意义 .61.2 吸附法除氟 .61.2.1、吸附剂的概述 .61.2.2、吸附剂的分类 .61.2.3、吸附法除氟影响因素 .71.2.4、吸附法除氟机理 .71.2.5、常见除氟吸附剂 .81.2.6、新型除氟吸附剂 .101.3 本课题的研究目的 .101.4 本研究的主要内容 .10第二章 示范工程的操作 .112.1 工艺流程原理 .112.2 示范工程概况 .122.3 开车操作步骤 .13(1) 硫酸铁活化液配制 .13(2) 氢氧化钠溶解 .13(3) 1 号活化 .13(4) 2 号活化 .13(5) 3 号活化 .14(6) 4 号活化 .142.4 正常运行操作 .14(1)1、2、3 号吸附罐串联除氟；4 号吸附塔再生 .14北京化工大学本科生毕业设计（论文）IV(2) 2、3、4 号吸附塔串联除氟；1 号吸附塔再生 .15(3) 3、4、1 号吸附塔串联除氟；2 号吸附塔再生 .16(4)4 、1、2 号吸附塔串联除氟；3 号吸附塔再生 .16第三章 示范工程的运行 .193.1 示范工程的调试 .193.2 示范工程的运行 .20(1)1 号吸附罐的运行 .20(2)2 号吸附罐的运行 .22(3)3 号吸附罐的运行 .23(4)4 号吸附罐的运行 .243.3 示范工程经济性评价 .25第四章 结论与展望 .27参考文献 .28致谢 .29北京化工大学本科生毕业设计（论文）1前言我国生活饮用水水质卫生规范规定，氟元素的限值为 1.0 mg/L。饮用水中含少量的氟(0.41.0 mg/L)可以促进牙齿珐琅质的形成，并可以保护牙齿免于生龋。但过多的氟会导致珐琅质的破坏，而且还会引起大量的与氟中毒有关的地方病，如牙齿变质，珐琅脱落，骨质硬化或骨质疏松，骨骼变形，甚至瘫痪，使人丧失劳动能力。几乎所有的天然水中都含有氟离子，质量浓度平均在0.011.50 mg/L 之间。我国含氟地下水分布广泛，地方性氟中毒在我国是严重危害人民身体健康的地方病之一，全国现有病区村人口 1.1 亿，有氟斑牙患者3739 万人，氟骨症患者 276 万人，特别是西部地区病情较重。防治难度较大，国家对地方性氟中毒的防治研究很重视。“九五”初期全国饮水型地方性氟中毒病区村改水率仅达 31.37% ， “十五”初期全国饮水型病区村改水率达 38.67 % ，提高了 7.3 个百分点。饮茶型地方性氟中毒的防治刚刚在起步，仅在部分病区作了流行病学调查。党中央对地方性氟中毒防治非常重视，胡锦涛总书记针对辽宁省朝阳地区的问题，作了批示:“无论有多大困难，都要想办法解决群众的饮水问题，绝不能让群众再饮高氟水。”目前各国普遍采用的除氟技术有活性氧化铝、骨炭吸附、铝盐混凝沉淀、电渗析等方法，但应用中存在一些问题，如需解吸-再生、调 pH 值等，操作较复杂。理想的除氟吸附剂应满足吸附容量高、选择性强、吸附速率高、化学稳定性好、可再生、价格低廉等要求。自上世纪 50 年代以来，除氟技术取得了一定进展，特别是活性氧化铝除氟技术被美国推荐为最佳处理技术。尽管活性氧化铝除氟具有技术成熟、除氟效果较好等优点，但仍然存在诸多问题。例如除氟剂成本高、吸附容量低、除氟设施连续运行时间短、运行控制繁琐、再生时间长、用药量大等，使得许多除氟设施运行不稳定甚至停用报废，从而导致出水氟超标。示范工程包括吸附解吸活化再生循环，当进水 pH 为 6.77.8 时，吸附切换周期为 811 天。运行结果显示，MAA 除氟克服了硫酸铝改性活性氧化铝铝离子溶出的缺陷，吸附解吸活化再生循环运行正常，出水水质合格。依据示范工程运行结果和小试结果进行测算，制水成本为 0.5280.658 元/ 吨，达到了北京化工大学本科生毕业设计（论文）2降低制水成本的目标。第一章 文献综述1.1 氟化物性质及高氟水危害1.1.1 氟化物性质氟在地壳中的含量为 0.077%1，虽然含量不多，仅排在地壳所含所有元素中的第 16 位，但是其在地面上的分布却极为广泛。氟是卤族元素之一，位于元素周期表第 2 周期第 A 族 ， 单 氟在室温下的状态为一种淡黄色气体，它的液态和固态分别为淡黄色和乳白色。剧毒，并具有很强的腐蚀性。早在 1812 年时，法国物理学家安培就预测了氟元素的存在，直到 1886 年法国化学家穆瓦桑才制得了单质氟。氟的化学性质非常活波，因此，自然界中不存在游离态的氟，它几乎能够和所有的元素以不同的方式结合。氟主要以络合阴离子或离子的形式存在于造岩矿物及副生矿物中，形成了大量独立的含氟矿物质，如萤石 CaF2、氟磷酸钙 Ca10F2(PO4)6、冰晶石 Na3AIF6 等矿物质 2。矿物质中的含氟量在 80-4700 mg/kg 之间，地下水经过的土壤、矿物情况、pH、温度、共存离子等因素决定了地下水中氟离子的含量 3，含氟化合物在某些适宜的条件中通过富集作用导致了该地的氟含量远远超出其他地方。当地下水经过这些氟含量较高的地方的时候，溶解了部分的含氟矿物质，形成了可溶性氟化物，导致了地下水的含氟量剧增，我们称之为高氟水。在高氟地区，那里的地下水的氟含量多为 1.5 mg/L -4.0 mg/L。一般的，在空气中也会含有少量的氟，大概在 39ug/m3 以下，但在火山附近或陶瓷、磷肥、砖瓦等工厂附近，空气中的含氟量就会高一些。1.1.2 氟的来源自然界中，氟的分布十分广泛，主要存在于水、大气、土壤和一切有生命的机体中，其中的绝大部分氟都以不同的形式存在于矿物质中4，并且不同地域的矿物质中的含量也有很大区别，地域的差异在很大程度上影响了该地区中氟的分布情况，再加上自然界中的氟化物大都能被水溶解，水的循环带动着氟在自然界中的流动。土壤和岩层中的矿物质的氟含量越高，那么天然水中的氟北京化工大学本科生毕业设计（论文）3浓度就会随之上升5，地质条件、气候和地貌等均会对天然水中的氟浓度大小产生一定的影响，例如说，在干旱或者是半干旱地区，在蒸发和浓缩的双重作用下6，那些地方的天然水中的氟浓度会比湿润半湿润地区的要高很多。在盐碱地区，降雨量小，蒸发量大，水溶性的盐十分容易积聚，因此，这些地区的含氟量也比较高，再加上盐碱地本身的土壤保持能力就很差，水土流失严重，水溶性的氟化物极其容易随着地表水通过渗析等作用进入地下水中，成为氟病流行的一个重要原因7。而在人类活动方面，进入二十世纪以来，氟化物在工业生产中得到了广泛的应用，如电解铝、磷肥、砖瓦、陶瓷、硫酸、有色冶金、玻璃、水泥、航空燃料、电子、石油化工、塑料、农药等均可排出含氟物质。氟是生命体中必须的元素之一，有机生命体内的全部组织里都有氟的存在。1.1.3 高氟水危害氟是生命体中必须的元素之一，有机生命体内的全部组织里都有氟的存在。研究人员已经证明，氟是生命体必须的元素之一，但是不可以摄入过量，摄入过量的氟将对人体产生各种不良影响。第一，过量的氟会与血液中的结合生成氟化钙（CaF2）沉积物，从而导致人体循环血液里缺钙；第二，过量的氟离子本身对特定的器官如脑、肾等具有很大的损害；第三，过量的氟具有抑制作用，可以抑制许多关键蛋白酶的生成，如抑制控制糖原分解等；第四，过量的氟会导致血压过低或者是造成循环系统波动从而引起心血功能衰竭。氟是人体必需的微量元素之一。微量的氟有促进儿童生长发育和防治龋齿的作用。骨和牙齿中含有人体内氟的大部分，氟化物与人体生命活动及牙齿、骨骼组织代谢密切相关。人体内的氟主要来源于饮水、食物和空气，其在机体内的分布与动物相同。正常成人体内含氟量为 2.6 g，占体内微量元素的第三位，仅次于硅和铁。氟在体内主要分布于骨骼、指甲及头发中，人体内硬组织蓄氟约占氟总量的 96 %，即便在骨中增加到稳定状态之后，依然能继续进入组织的唯一元素 8。人类生活的环境中，几乎到处都有氟，不同状态的氟化物可随不同介质，经不同途径进入机体而被吸收，其途径有：（1）消化道吸收。消化道是机体的主要摄氟途径，介质氟含量，尤其是饮水氟含量对机体摄氟量很大，不同介质，不同氟浓度情况下，消化道摄入的氟可以是生理需要量也可是中毒量。人体长期摄入过量的氟，是地方性氟中毒的重要发病原因。 （2）呼吸道吸收。空气氟北京化工大学本科生毕业设计（论文）4含量甚微，但在火山灰尘以及某些受污染的空气中，含有较高浓度的氟化物，可显著增高呼吸道摄氟量。 （3）皮肤及粘膜的吸收极少。但氟及其化合物对皮肤、粘膜有不同刺激作用。进入机体的氟有 50%会通过不同途径以不同的方式被排泄出体外，机体排泄的氟中有 75%是由肾脏排出的，尿氟浓度会随这摄入量的变化而变化，而且尿氟浓度同饮水氟浓度间具有