冰冻降氟实验研究

刘宏达 张达 扎喜措

摘 要：我国西北地区，山地和盆地相间分布。虽然在西北地区地下水资源比较丰富，但该地的干旱气候十分复杂，且多变化，导致氟离子在地下水中富集，由于人体摄入氟过量，西北地区氟中毒疾病蔓延广泛。本项目以冰冻降氟理论为指导，通过室内冰冻降氟试验研究验证冰冻降氟原理，并进一步研究温度、冰冻时间、母液浓度对降氟效果的影响，找出最适宜条件用以将冰冻降氟原理用于西北地区地下水降氟工程。

关键词：冰冻降氟；温度；结冰率；母液浓度

1 冰冻降氟实验设计

1.1 实验材料

实验过程中用到的仪器有恒温冰箱，电磁搅拌器，氟离子选择电极，甘汞电极，500ml容量瓶，烧杯，移液管，温度计，量筒，胶头滴管，PH试纸，离子计等；用到的试剂有蒸馏水，氟化钠，氯化钠，碳酸氢钠，柠檬酸钠，浓盐酸等。样液是通过将氟化钠按一定配比加入到蒸馏水中配制而成的，样品中的F的浓度分别为2mg/L，6mg/L，10mg/L，15mg/L，20mg/L。

1.2 实验步骤与流程

本实验利用人工制冷系统即用恒温冷冻冰箱来创造低温环境，在500ml塑料烧杯中加入样液，放入冰箱中，对高氟水进行冰冻，分别调整冷冻温度以及冷冻时间，在不同温度和不同冰冻时间下进行实验，实验结束后取冰水混合物，然后通过物理方法将冰与母液分离，测结冰率，然后等冰融化后测定冰融水中氟离子浓度，将各项实验数据记录在记录表上，通过分析计算求出冰冻前后的降氟率，画出各个条件下降氟率与变化因子之间的关系曲线，研究不同冷冻时间、冷冻温度，以及不同溶液浓度对降氟效果的影响，找出有利于实际生产的最佳冷冻条件。

2 不同因素对冰冻降氟效果的影响分析

蒸馏水水加氟化钠实验研究：根据计算出的配比，将氯化钠加入到蒸馏水中，配制出氟离子濃度为2mg/L，6mg/L，10mg/L，15mg/L，20mg/L的溶液，拟设计60个水样，共12组，在恒温冰箱内进行冰冻，调整冰冻时间长度以及调整冰冻温度，冰冻过程结束后，将冰水混合物分离，取冰，待其融化后，用氟离子选择电极法测定冰融水中的氟离子浓度。利用Grapher软件绘制氟离子标准曲线。

2.1 冰冻温度对降氟效果的影响

研究不同冰冻温度下样液的降氟效果。将得到的实验数据按照冰冻温度排序，把某一个温度下的所有实验结果即2mg/L，6mg/L，10mg/L，15mg/L，20mg/L的溶液分别经过3h，5h，7h，9h冷冻后将冰水溶液通过物理方法分离，将分离后的冰融化成水溶液后通过氟离子选择电极测定的降氟率，求取平均值。通过计算分析实验数据，讨论冰冻温度对降氟效果的影响得出：冰冻温度在15～20℃之间，降氟效果最好；同时，还可以得出在10℃、15℃的冰冻温度下，降氟率变化较大，当冰冻温度达到17℃左右的时候，降氟率会缓慢下降。因此可以认为在实际应用中，最佳冰冻降氟温度应控制在16℃～18℃之间。

2.2 结冰率对降氟效果的影响

在研究结冰率对降氟效果的影响时，为了排除冰冻温度对降氟效果的影响，我们在不同温度下具体分析结冰率对降氟效果的影响。

将所有不同温度下的水样分为10℃、15℃、20℃三类，实验所用样品浓度为2mg/l、6mg/l、10mg/l、15mg/l、20mg/l的溶液，分别冷冻3h、5h、7h、9h。通过研究实验中不同温度下结冰率与降氟效果的关系，来研究结冰率对降氟效果的影响。在每个不同的冷冻温度下的水样按结冰率大小进行排序，在三个不同温度下具体分析，观察不同温度点下的结冰率与降氟率的关系。

分别统计三个温度下结冰率与降氟率的关系。通过数据的分析处理，得出结论：1）在10℃下，当结冰率处于0%～20%的区间时，降氟率随着结冰率的增加逐渐上升。而当结冰率处于20%～30%的温度区间时，随结冰率的增加降氟率趋于不变；在15℃温度点下，随着结冰率的变化降氟率虽有变化但一直集中在99.5～100%之间；在20℃温度点下，随着结冰率的变化降氟率虽有变化在一直集中在99.4～100%之间。在15℃、20℃当结冰率高于70%时，降氟率迅速下降。所以实际生产应将结冰率控制在40%～70%之间。

2.3 原溶液的浓度对降氟效果的影响

为了研究原溶液浓度对降氟效果的影响，按照原溶液氟离子浓度的大小将所得到的实验数据进行排序，并将同一氟离子浓度下所有的实验结果即包括高氟水溶液在10℃，15℃，20℃冰冻温度下经3h，5h，7h，9h冷冻后所得冰水混合物分离取冰，将冰融化成水溶液后测定的降氟率，求取平均值。通过分析原溶液氟离子含量和降氟率的关系，得到原溶液氟离子含量对降氟效果的影响。

经数据分析，原溶液中氟离子含量按2mg/L，6mg/L，10mg/L，15mg/L，20mg/L进行变化时，冰冻降氟方法的降氟率较为稳定，其大小在99%～99.8%之间变化，可见降氟率的变化范围不大。除此之外，通过分析原溶液氟离子含量与降氟率的关系曲线得出原溶液中氟离子浓度处于15mg/L到20mg/L之间时，降氟率会明显下降，即当原溶液中的氟离子浓度大于15mg/L时，冰冻降氟的效果会有所下降。

3 结论

1）在不同温度下进行的冰冻降氟实验表明：随着冰冻温度的降低，降氟率逐渐下降，最佳冰冻降氟温度区间为16℃～18℃。不同结冰率下冰冻降氟实验表明：在15℃温度点下，随着结冰率的变化降氟率虽有变化在一直集中在99.5～100%之间；在20℃温度点下，随着结冰率的变化降氟率虽有变化在一直集中在99.4～100%之间。由图可知，在15℃、20℃当结冰率高于70%时，降氟率下降梯度增大。故在冰冻降氟技术的实际应用中，结冰率的合理选用区间在40%～70%之间。

2）在不同浓度的原溶液中进行的冰冻降氟实验表明：原溶液中氟离子的浓度在较大范围内进行变化时，冰冻降氟方法的降氟率较为稳定，变化范围在99%～99.8%之间。

作者简介：刘宏达，男，河北衡水人，本科，地下水科学与工程专业。