流化床结晶法处理高氟地下水的机理研究

The fluoride in groundwater exceeds the water quality standard in many areas in China at present, and the normal de?uoridation techniques for drinking water have high energy consumption and long reaction time. As the fluoride ion in the water can react with the other ions to form a crystalline compound, for high fluoride-containing groundwater, to researching the mechanism of fluidized bed crystallization technology in high fluoride-containing groundwater treatment using crystal chemistry and reaction kinetics. The main research contents include: The conditions for the fluoride-containing crystal formation with the added ions and the induced crystal seed, and the mechanism of crystal nucleation and growth in crystallization technology，and the effects of different crystalline compound and crystal seed. The chemical reaction kinetics of the crystallization technology to remove fluoride, and the calculation of kinetic parameters for crystal nucleation and growth, and the effects of crystal seed granularity and dosage to the kinetic process, and the major kinetic mechanisms for the crystallization technology to remove fluoride. The movement equilibrium conditions for the fluidized bed crystallization technology to remove fluoride, and the connection between the movement equilibrium conditions and crystal nucleation and growth, and the defluoridation mechanism of fluidized bed crystallization technology to remove fluoride. This research may provide scientific theory basis and direct theoretical support for engineering application of fluidized bed crystallization technology, and get high efficiency and energy saving technology to remove fluoride from groundwater.

针对目前我国多地区地下水氟含量超标以及饮用水除氟技术能耗高与反应时间长等问题，以水中氟离子可与其它离子形成晶体化合物为切入点，以高氟地下水为对象，从结晶化学和反应动力学角度系统研究流化床结晶法处理高氟地下水的机理。主要包括：研究在高氟地下水中外加离子与晶种诱导含氟晶体形成的条件，探明结晶法除氟的晶核形成和晶体生长机理，分析不同晶体化合物和晶种对形成晶体的影响；研究结晶法除氟化学反应动力学过程，计算晶核形成和晶体生长的动力学参数，分析晶种粒度和添加量对动力学过程的影响，探求结晶除氟的主要动力学机制；研究流化床结晶法除氟的运动平衡条件，揭示运动平衡条件与结晶形成和生长的关系，探明流化床结晶法除氟机理。该研究将为应用流化床结晶技术经济高效地处理高氟地下水提供科学的理论依据和直接的理论支持。

针对目前我国多地区地下水氟含量超标以及饮用水除氟技术能耗高与反应时间长等问题，以水中氟离子可与其它离子形成晶体化合物为切入点，以高氟饮用水为对象，从结晶化学和反应动力学角度系统研究了诱导结晶法处理高氟地下水的方法与机理。主要结论如下：向原水（氟浓度5~10 mg/L）中投加8.0 g/L氟磷灰石，然后依次加入磷酸盐和钙盐溶液，控制水中钙、磷和氟的摩尔比为10:5:1，100 r/min反应1h，出水氟离子可降至1.0mg/L以下，满足饮用水标准。向原水中投加6.0 g/L氟磷酸钙/方解石混合晶种，然后依次加入磷酸盐和钙盐溶液，控制水中钙、磷和氟的摩尔比为8:4:1，100 r/min反应40min，出水氟离子可降至1.0mg/L以下，满足饮用水标准。重复使用混合晶种进行诱导结晶除氟，反应至第4次时，仍然满足出水氟离子浓度小于1.0mg/L。向原水（氟浓度9.5 mg/L）中投加10 g/L磷矿粉晶种，然后依次加入磷酸盐和钙盐溶液，控制水中钙、磷和氟的摩尔比为5:3:1、8:3:1或10:3:1，100 r/min反应30~60 min，出水氟离子可降至1.0mg/L以下，满足饮用水标准。重复使用混合晶种进行诱导结晶除氟，反应至第3次时，仍然满足出水氟离子浓度小于1.0mg/L。.通过扫描电子显微镜-能谱（SEM-EDS）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线衍射（XRD）等手段，分析了晶种在反应前后表面元素和化学结构的变化，并由此推断了诱导结晶反应机理。氟磷酸钙/方解石混合晶种诱导结晶除氟的机理主要包括两个部分：溶液当中的氟离子、钙离子和磷酸根离子在氟磷酸钙表面形成新的氟磷酸钙结晶；溶液当中过量的磷酸根离子在方解石表面的吸附。磷矿粉晶种诱导结晶除氟机理主要包括两部分：溶液当中外加磷酸二氢钠和氯化钙后，磷矿粉当中的碳酸钙镁少量溶解，溶液当中存在一部分碳酸根离子；溶液当中的氟离子、磷酸根离子、碳酸根离子、钙离子在磷矿粉表面形成碳氟磷酸钙结晶。由此可推测出，天然氟磷灰石、磷矿粉和氟磷酸钙/方解石混合晶种均可用于流化态体系。该研究为应用流化床结晶技术经济高效地处理高氟地下水提供了科学的理论依据和直接的理论支持。