用于從水溶液中去除磷酸鹽和其它污染物的組合物與方法
【專利說(shuō)明】用于從水溶液中去除磷酸鹽和其它污染物的組合物與方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考
[0002] 要求2013年3月13日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1，780, 267、2012年10月18日提 交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/715, 812以及2012年8月30日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/695, 201 的優(yōu)先權(quán)，通過(guò)引用將其每個(gè)以其全文并入本文。
[0003] 發(fā)明技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明整體上涉及使用一種或多種包含多種硅酸鈣晶態(tài)結(jié)構(gòu)和非晶結(jié)構(gòu)的晶態(tài) 組合物從水溶液中去除磷酸鹽、硝酸鹽和重金屬的組合物與方法。
[0005] 發(fā)明背景
[0006] 由農(nóng)業(yè)、雨水徑流、污水處理排放和其它來(lái)源排放到環(huán)境中的磷、氮和重金屬的日 益增加的累積是地球所面對(duì)的最顯著的環(huán)境挑戰(zhàn)之一。磷還用于肥料，并且考慮到磷酸鹽 礦正在枯竭并可在接下來(lái)的100年內(nèi)被完全耗盡，世界食品供應(yīng)將肯定會(huì)受到影響。
[0007] 地表水中提高的磷含量導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化，這對(duì)水生生物是有害的。為了控制富營(yíng)養(yǎng) 化，EPA推薦總磷酸鹽在水流中在其進(jìn)入湖泊或水庫(kù)的點(diǎn)處應(yīng)不超過(guò)0. 05mg/L(按磷計(jì)）， 并且在未直接排放到湖泊或水庫(kù)的水流中總磷量應(yīng)不超過(guò)0. lmg/L。迄今為止，已經(jīng)采用 絮凝/沉淀法實(shí)現(xiàn)了除磷，所述絮凝/沉淀法使用金屬鹽例如氯化鐵、硫酸鋁（明礬）和氫 氧化鈣（石灰）。在許多情況下，這些方法需要使用聚合物來(lái)提高沉淀和最終的固體去除。 已經(jīng)詳述了利用天然存在與合成形式的硬硅鈣石和/或雪硅鈣石以去除磷的各種方法。這 些材料受限于溶液的PH，因?yàn)樘岣叩膒H導(dǎo)致碳酸氫根離子轉(zhuǎn)化為碳酸根離子，從而降低了 去除的效率。另一種除磷方法是化學(xué)形成鳥(niǎo)糞石（六水合磷酸鎂銨）。該方法需要引入鎂 源（通常為氫氧化鎂），并依賴于高氨含量作為銨源。
[0008] 由于在地表水和地下水中提高的含量導(dǎo)致飲用水供應(yīng)中不需要的含量，硝酸鹽也 受到關(guān)注。目前飲用水硝酸鹽限制為按氮計(jì)l〇mg/L。最經(jīng)常經(jīng)由微生物脫氮來(lái)實(shí)現(xiàn)硝酸鹽 去除。該方法要求在減少的氧環(huán)境中使細(xì)菌脫氮的可用性。該細(xì)菌代謝硝酸鹽，導(dǎo)致還原 為亞硝酸鹽并最終還原為氮?dú)狻?br>[0009] 金屬離子排放到水源中會(huì)使得水不可飲用，并對(duì)水生生物具有不利影響。關(guān)于金 屬的流水（in-stream water)品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以及國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)非常低。最經(jīng)常通過(guò)絮凝/沉 淀為金屬氫氧化物將金屬離子從水和廢水中除去。這通常通過(guò)添加堿例如氫氧化鈣或氫氧 化鈉來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常需要聚合物來(lái)提高絮凝并幫助固體去除。金屬離子去除還可以通過(guò)使用 陽(yáng)離子交換樹(shù)脂來(lái)實(shí)現(xiàn)。該方法通常需要不含懸浮固體和油以及油脂的相對(duì)清潔的水源。 [0010] 因此，需要高度有效地從水溶液例如水和廢水中去除磷酸鹽、硝酸鹽與金屬離子 的組合物及其制造方法。尤其優(yōu)選的是前述組合物能夠提供對(duì)于有效去除磷酸鹽所必需的 足夠堿度，而無(wú)需額外的PH調(diào)節(jié)?？紤]到關(guān)于本發(fā)明所考慮的水溶液具有不同的污染物狀 況，甚至更優(yōu)選的是可以以吸附各種陽(yáng)離子和陰離子的方式操作前述組合物。
[0011] 還高度優(yōu)選的是前述組合物對(duì)于用于從飲水源中去除污染物和用于食品加工應(yīng) 用為安全的。還優(yōu)選的是前述組合物可以以用作肥料的形式回收磷酸鹽和硝酸鹽。
[0012] 發(fā)明概述
[0013] 本發(fā)明涉及用于從水溶液中去除磷酸鹽、硝酸鹽和重金屬的組合物與方法，其使 用一種或多種包含多種硅酸鈣晶態(tài)結(jié)構(gòu)和非晶結(jié)構(gòu)的組合物。根據(jù)本發(fā)明的組合物從地表 水中去除磷酸鹽和硝酸鹽，并且在一些情況下可以產(chǎn)生高品質(zhì)的緩釋肥料（5-35-0)。
[0014] 本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供用于從水溶液例如水和廢水中高度有效去除磷酸鹽、 硝酸鹽和金屬離子的組合物與方法。本發(fā)明的另一目的在于提供能夠?qū)τ谟行コ姿猁} 提供所必需的足夠堿度而無(wú)需額外調(diào)節(jié)PH的組合物。本發(fā)明的另一目的在于提供可以以 吸附各種陽(yáng)離子和陰離子的方式操作的組合物。本發(fā)明的另一目的在于提供對(duì)于用于從飲 水源中去除污染物和用于食品加工應(yīng)用為安全的組合物。本發(fā)明的另一目的在于提供可以 以可用作肥料的形式回收磷酸鹽和硝酸鹽的組合物。
[0015] 為應(yīng)用本發(fā)明而考慮的水溶液包括農(nóng)業(yè)徑流、澄清池、動(dòng)物養(yǎng)殖場(chǎng)徑流、動(dòng)物園徑 流、溪流、湖泊、運(yùn)河、水庫(kù)、住宅與商業(yè)區(qū)雨水徑流、廢水處理廠排放、食品加工排放、工業(yè) 廢水排放、住宅廢水排放、肉類加工殘余物、衛(wèi)生間用水和水池用水。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的組合物可用于多種應(yīng)用。在一個(gè)實(shí)施方案中，在為使用離心力加速 接觸速率而設(shè)計(jì)的反應(yīng)室中使組合物與含有磷酸鹽、硝酸鹽、重金屬和/或其它污染物的 水溶液接觸。在一個(gè)相關(guān)實(shí)施方案中，該反應(yīng)器使用在層流條件下運(yùn)行的泰勒渦流系統(tǒng)。
[0017] 在另一實(shí)施方案中，經(jīng)由進(jìn)入最終DAF或工藝流的干燥進(jìn)料或漿料混合物使組合 物與含有磷酸鹽、硝酸鹽、重金屬和/或其它污染物的水溶液接觸（例如廢水最終處理（市 政或食品加工機(jī)））。在另一實(shí)施方案中，經(jīng)由AdEdge?過(guò)濾系統(tǒng)使組合物與含有磷酸鹽、 硝酸鹽、重金屬和/或其它污染物的水溶液接觸（例如高濃度營(yíng)養(yǎng)物去除）。
[0018] 在另一實(shí)施方案中，經(jīng)由分批注射器（portion injector)使組合物與含有磷酸 鹽、硝酸鹽、重金屬和/或其它污染物的水溶液接觸（例如用于小便池或馬桶）。
[0019] 在另一實(shí)施方案中，經(jīng)由干燥或漿料撒播或作物噴粉使組合物與含有磷酸鹽、硝 酸鹽、重金屬和/或其它污染物的水溶液接觸（例如在地面上或在地表水體上）。
[0020] 在另一實(shí)施方案中，經(jīng)由埋藏的屏障使組合物與含有磷酸鹽、硝酸鹽、重金屬和/ 或其它污染物的水溶液接觸（例如埋在動(dòng)物養(yǎng)殖場(chǎng)或動(dòng)物園地表下或用于捕獲水池濾液 以去除磷酸鹽的包含該組合物的板材）。
[0021] 附圖概述
[0022] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一組合物（組合物A)的磷吸附等溫線。
[0023] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的第二組合物（組合物B)的磷吸附等溫線。
[0024] 圖3是比較組合物B與其它除磷方法的磷吸附等溫線。
[0025] 圖4是組合物B的硝酸鹽吸附等溫線。
[0026] 圖5展示了組合物B對(duì)于各種重金屬的親合力。
[0027] 圖6展示了與其它目前可用介質(zhì)相比組合物B對(duì)于從水中去除砷的效率。
[0028] 圖7是顯示利用組合物B從獲自磷采礦作業(yè)的地表水樣品中去除磷的圖。
[0029] 圖8是組合物B的EDS譜。
[0030] 圖9顯示了組合物B的XRD譜。
[0031] 圖10顯示了可如何改變硅酸鈣分子中原子的空間取向?qū)е骆I長(zhǎng)和或鍵角的改 變。
[0032] 圖11顯示了添加鈣離子對(duì)于組合物B從溶液中去除磷的效率的影響。
[0033] 圖12是根據(jù)本發(fā)明的第三組合物（組合物C)的磷吸附等溫線。
[0034] 發(fā)明詳述
[0035] 本發(fā)明涉及制備能夠從溶液中去除磷酸鹽、硝酸鹽與重金屬的組合物的方法，包 括：（a)形成包含氧化鈣、二氧化硅、堿和溶劑的漿料；和（b)通過(guò)在用于形成該組合物的足 夠壓力下并且持續(xù)足夠時(shí)間使該漿料經(jīng)受水熱過(guò)程，制備能夠從溶液中去除磷酸鹽、硝酸 鹽與重金屬的組合物。前述組合物可以互換地稱為"水熱殘余物"。在一些實(shí)施方案中，該 方法包含額外步驟（C):在用于提高所得組合物在從溶液中去除磷酸鹽、硝酸鹽和/或重金 屬方面的效率/效力的足夠溫度下并且持續(xù)足夠時(shí)間來(lái)加熱該組合物/水熱殘余物。
[0036] 在某些實(shí)施方案中，堿選自氫氧化按、氫氧化媽、氫氧化鎂、氫氧化鉀和氫氧化鈉。 在一些實(shí)施方案中，堿可以是包含堿溶質(zhì)和該溶劑的液體堿形式。在一些實(shí)施方案中，該溶 劑是水或包含水。在其它