饮用水除氟技术研究现状与新进展

2013-08-15边艳芳

天津建设科技 2013年5期

关键词：沉淀法膜分离混凝

□文/边艳芳李响

饮用水除氟技术研究现状与新进展

□文/边艳芳李响

文章简要介绍了氟含量超标对人体的危害，综述了国内饮用水除氟技术研究现状，同时阐述了几种除氟技术的特点及适用范围并对饮用水除氟技术的发展进行了展望。

饮用水；除氟；膜分离

我国目前饮用水的氟含量超标是一个至关重要同时又极具挑战的问题。氟是人体必需的微量元素之一，适量的氟对牙齿、骨骼的钙化、神经兴奋的传导和酶系统的代谢均有促进作用。但长期饮用氟含量超标的水则会引起氟斑牙、骨质松脆、关节僵硬甚至瘫痪。GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》规定我国生活饮用水中氟化物浓度限值为1.0 mg/L。然而，我国高氟地下水的分布范围很广，遍及19个省、市和自治区，尤其是西北、华北地区[1]。某些特定行业的工业废水中也含有高浓度的氟离子[2]，随着工业化进程的加快，部分企业污水无序排放，导致部分地区的地表水氟含量同样超标。在没有可替代水源的情况下，采用除氟技术解决饮用水中的氟含量超标问题是唯一行之有效的方式。

目前，饮用水除氟技术主要有吸附、沉淀、离子交换以及膜分离技术等，各种方法都有其特点和适用范围。

1 吸附法

在我国饮用水除氟方法中，目前应用最多的是吸附法。该方法主要是将含氟饮用水通过填有氟吸附剂的设备，氟与吸附剂上的活性离子或基团置换而被去除，吸附剂则通过再生来恢复交换能力。作为滤料的吸附剂主要有沸石、骨炭、氧化铝、活性氧化铝以及各种硅酸盐矿物等。其中，对于沸石和活性氧化铝的研究较多。

沸石是一种比较廉价易得的可作为吸附材料的晶体矿物，具有良好的热稳定性、离子交换性、耐酸耐碱性和空洞的骨架结构并拥有巨大的比表面积；沸石的孔穴和孔道中存在着多种碱金属或碱土金属离子和水分子，它们能被其他阳离子交换。而由于孔道易堵塞，天然沸石直接使用效果比较差。研究者分别采用硫酸镁[3]和氢氧化钠-氯化铁、氯化铵-氯化铁、氯化铵-硫酸铝钾溶液[4]对天然沸石进行了改性，研究结果都表明，经改性后的沸石具有了更好的吸附性能。沸石改性和再生方法简单，因此易于掌握和推广，但是吸附容量低。活性氧化铝除氟也是世界上应用比较广泛的除氟方法，其吸附容量一般为0.8～2.0 mg/g。国内用活性氧化铝除氟剂[5]，可将含氟5.5 mg/L的高氟水降至约0.5 mg/L。由于活性氧化铝存在价格较贵，吸附容量低，再生麻烦的缺点，用于饮用水中也容易带来铝超标的问题，其应用受到了一定的限制。

2 沉淀法

沉淀法除氟包括传统的化学沉淀法和混凝沉淀法，即向高氟水中投加沉淀剂形成含氟沉淀物或者是加入某种化学药剂与氟离子形成络合物从而将氟去除的方法。

化学沉淀法早期的经典方法是向水中加入石灰、电石渣等沉淀剂，使氟离子形成沉淀物，然后再进行分离从而去除水中的氟。目前，化学沉淀法除氟主要包括：石灰沉淀法、钙盐沉淀法、石灰软化降氟法。3种方法都只能作为饮用水除氟中的第1步，其后要采用过滤或沉降等工艺去除沉淀物，才能达到良好的除氟效果。

混凝沉淀是利用混凝剂在水中形成带正电的胶粒从而吸附水中的氟离子，使胶粒相互接近并聚集为较大的絮状物沉淀，然后分离去除。混凝沉淀较常用的混凝剂是铝盐和铁盐。混凝沉淀法主要的缺点是混凝剂投加量较大，沉淀的pH值较小，占地面积大，沉淀时间太长。针对这些缺点，有研究者[6]对混凝沉淀法进行了改进，开发了复合型混凝剂，同时已在工程上有部分案例，该工艺具有运行效果稳定，净水成本低、占地面积小等特点。

3 离子交换法

给水中常用的离子交换剂有磺化煤和离子交换树脂，在饮用水除氟中使用的主要是离子交换树脂。离子交换除氟主要是利用包含季铵盐官能团的强碱性阴离子交换树脂除氟，氟离子不断的置换树脂上的氯离子，当达到饱和时，用氯化钠饱和溶液反复冲洗树脂，使树脂得到再生。由离子的交换选择性可知，与其他阴离子相比，氟离子较难被树脂置换，因而，离子交换树脂在饮用水除氟中的应用得到了限制。另外，树脂成本高、再生困难也是离子交换法除氟未能广泛应用的制约因素。

4 膜分离法

膜分离技术是近年来迅猛发展起来的一项高新技术，它主要是指用有机或无机膜，以化学位差或外界能量为推动力，利用膜对不同组分选择透过性的差异对多组分混合体系进行分离、分级、提纯和浓缩的方法。在饮用水除氟领域，膜技术主要有电渗析、反渗透等。

电渗析是以直流电场产生的电位差作为推动力，使氟离子和阳离子分别通过阳、阴离子交换膜从而达到除氟的目的。反渗透是以压力差作为推动力，通过反渗透膜除氟的纯物理过程，氟的去除率较高并且能同时去除水中其他无机污染物。膜分离法的优点是氟去除率较高、过程中没有相的变化、设备可工厂化生产等，而缺点则是需要消耗一定的能量，处理能力有限。近年来，作为一项高新技术的膜分离技术逐渐从试验室中走向社会，迅速发展成为了在各个工业系统中获得大规模应用的高效节能的分离过程。可以相信，随着膜分离技术这一朝阳产业的崛起，将膜技术应用于饮用水除氟领域将会是今后发展的方向。

5 组合工艺

针对以上几种除氟技术的优点及不足，有研究者将传统的水处理工艺进行耦合用于饮用水除氟，得到了较好的氟去除率。组合工艺主要有电絮凝法、改性沸石-微滤膜法。

其中，电絮凝法是近年来迅速发展起来的一种新的饮用水除氟技术。电絮凝法是混凝沉淀法和电化学技术相结合新的除氟技术，其原理是铝板在直流电场作用下，在溶液中电极表面析出Al3+。在水解过程中，形成不同形态的氢氧化物中间产物，作为吸附介质强烈吸附水中的氟离子和氟络合物[7]，从而达到除氟的目的。与其他除氟技术相比，电凝聚法除氟的优点主要有能够保持水质基本不变，不危害饮用者的健康；构造简单，处理费用低。其缺点为絮凝沉淀时间较长，需调节进水pH，操作管理有一定要求。因此，电絮凝法适用于规模较小的分散型供水系统或高浓度氟污染水体。

另有研究者[8]利用改性沸石对氟离子所具有的高吸附性能，将其添加到超高分子质量聚乙烯粉末中，制成改性超高分子质量聚乙烯微滤膜并将该技术应用于饮用水除氟研究，取得了一定的效果，开辟了一条新的饮用水除氟途径。但是，该方法的实用性和去除效果还有待进一步研究。

6 结语与展望

高氟区饮用水的除氟技术一直受到许多研究者的关注。本文介绍的几种除氟工艺各有其优缺点及适用范围，因此各地在选用饮用水除氟技术时，应充分考虑当地的经济、技术、水质等诸多因素。只有选用合适的除氟方法，才能使除氟措施有效和持久。同时，随着人们对饮用水安全问题的关注，研究可靠的除氟技术迫在眉睫。近年来，随着膜分离技术的飞速发展，制膜工艺不断提高，成本不断降低，将膜分离技术应用于饮用水除氟将是未来发展的方向。

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□李响/上海市城市建设设计研究院天津分院。

TU991.2

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10.3969/j.issn.1008-3197.2013.05.030