具有杰出的砷去除性质的氧化铈(IV)制造技术

公开了比现有技术的铈(IV)的氧化物具有预料不到的更大砷荷载能力的氧化铈(IV)组合物。所述砷荷载能力在低水平的砷的平衡水平下更大。所述氧化铈(IV)组合物在除去亚砷酸盐和砷酸盐上更有效。此外，所述氧化铈(IV)组合物对于之前较难以除去的亚砷酸盐具有较大的能力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求申请日为2014年3月7日、名称为“CericOxidewithExceptionalTargetMaterialRemovalProperties”的美国临时申请序列号61/949,799的权益，其整体并入本文作为参考。
技术介绍
砷是以多种化合形式天然存在的有毒元素。它在天然水域中的存在可源自例如地球化学反应、工业废物排放和含砷农药的过去与现在的农业应用。因为砷的存在可对活的生物体具有致癌和其它有害影响，所以美国环保局(EPA)和世界卫生组织(WHO)已经将砷在饮用水中的最大污染物水平(MCL)设定于十亿分之10(ppb)。废水、地下水、地表水和地热水中的砷浓度常常超过该水平。因此，目前的MCL和将来任何可低至2ppb的下降造成对从饮用水、井水和工业用水或任何其它水经济有效地除去砷的新技术的需要。砷以四种氧化态或价态即-3、0、+3和+5存在。在正常条件下，发现砷以+3和+5氧化态、通常以亚砷酸盐(AsO33-)和砷酸盐(AsO43-)的形式溶解于水性或水生体系中。通过凝结技术有效地除去砷需要砷为砷酸盐的形式。通过吸附和凝结技术只部分地除去其中砷以+3氧化态存在的亚砷酸盐。过去已经使用多种技术从水性体系除去砷。这样的技术的实例包括在高表面积材料例如氧化铝和活性炭上的吸附、通过阴离子交换树脂的离子交换、共沉淀和电渗析。然而，除去非常低砷水平且保持有效荷载能力(负载容量，loadingcapacity)的困难性制约大多数砷去除技术。另外，为了除去低水平砷所必须的物质量可使得技术在经济上不可行。在大型市政水供给中已经采用的较成功的技术因空间要求和需要使用危险化学品而对于住宅应用是不实际的。用于住宅用水处理的两种最常见的技术一直是反渗透和固体过滤介质例如活性氧化铝、氧化铁和氧化钛。前一种方法产生了必须处理掉的含砷废水流，而后者要求所述介质处理足够大体积的水以便是经济实用的。以上事实连同降低MCL至10ppb或更小的可能性使得开发和使用用于从水和其它水性体系除去砷的有效吸附剂和/或反应物变得迫切。
技术实现思路
总的来说，本公开涉及用于从水性液体流中除去砷污染物的含铈组合物。更具体地，本公开尤其涉及用于从地下水和饮用水中除去以亚砷酸盐和砷酸盐形式的砷的含铈组合物。典型地，所述含铈组合物为氧化铈。更典型地，所述含铈组合物可为氧化铈(IV)。亚砷酸盐和砷酸盐可以按百万分率、十亿分率或十亿份中的分数(fractionsofpartsbillion)计的浓度存在。高或非常低的处理水平的含铈组合物可从水性液体流中除去亚砷酸盐和砷酸盐。现已发现，通过用含铈组合物处理包含亚砷酸盐和砷酸盐中的一种或多种的水性液体流可从水和其它水性液体原料高效且有效地除去亚砷酸盐和砷酸盐中的一种或多种。所述含铈组合物通常包括氧化铈(IV)组合物(CeO2)。所述氧化铈(IV)组合物可为结晶形式的。而且，所述氧化铈(IV)组合物具有高的表面积。令人惊讶地，已经进一步发现使用具有如下所述的特定特性的氧化铈(IV)组合物(CeO2)使得能够在比常规去除介质(包括缺少这些特定特性的一种或多种的氧化铈)更高去除能力(容量，capacity)的情况下吸附和除去砷。更具体地，已经进一步发现，使用具有如下所述的特定特性的氧化铈(IV)组合物(CeO2)使得能够在比常规去除介质(包括缺少这些特定特性的一种或多种的氧化铈)具有更高去除能力的情况下吸附和除去亚砷酸盐和砷酸盐的一种或多种。所述氧化铈(IV)组合物可为未负载的或负载的。可将负载的氧化铈(IV)组合物沉积到单一载体上或者沉积到多种载体上。所述载体在没有任何限制的情况下可为氧化铝、铝硅酸盐、离子交换树脂、有机聚合物和粘土。可将所述氧化铈(IV)组合物沉积到聚合物多孔材料和/或与聚合物多孔材料混合。此外，据信当氧化铈(IV)组合物被沉积到聚合物多孔材料和/或与聚合物多孔材料混合时增大了氧化铈(IV)组合物的表面暴露。按照一些实施方式，为将氧化铈(IV)组合物与含砷的水流接触的方法。在氧化铈(IV)与含砷的水流接触期间，下列中的一项或多项是成立的：(i)氧化铈(IV)组合物具有不大于约30mV且大于约1mV的在约pH7下的ζ电势；(ii)氧化铈(IV)组合物具有大于约0.5μm且不大于约7μm的粒度D10；(iii)氧化铈(IV)组合物具有大于约2μm且不大于约20μm的粒度D50；(iv)氧化铈(IV)组合物具有大于约12μm且不大于约50μm的粒度D90；(v)氧化铈(IV)组合物具有大于约1nm且不大于约22nm的晶粒大小；和(vi)氧化铈(IV)组合物具有大于约0.0001个酸性位点/kg且不大于约0.020个酸性位点/kg的酸性位点浓度。氧化铈(IV)组合物与含砷的水流的接触可从含砷流中除去一些砷。按照一些实施方式，为使氧化铈(IV)组合物与含砷的水流接触以从含砷流中除去第一砷水平的方法。所述第一砷水平可大于由缺少如下一项或多项的铈(IV)的氧化物所除去的砷：(i)不大于约30mV且大于约1mV的在约pH7下的ζ电势；(ii)大于约0.5μm且不大于约7μm的粒度D10；(iii)大于约2μm且不大于约20μm的粒度D50；(iv)大于约12μm且不大于约50μm的粒度D90；(v)大于约1nm且不大于约22nm的晶粒大小；和(vi)大于约0.0001个酸性位点/kg且不大于约0.020个酸性位点/kg的酸性位点浓度。按照一些实施方式，为使氧化铈(IV)组合物与含亚砷酸盐的水流接触的方法。在氧化铈(IV)与含砷的水流接触期间，下列的一项或多项是成立的：(i)氧化铈(IV)组合物具有不大于约30mV且大于约1mV的在约pH7下的ζ电势；(ii)氧化铈(IV)组合物具有大于约0.5μm且不大于约7μm的粒度D10；(iii)氧化铈(IV)组合物具有大于约2μm且不大于约20μm的粒度D50；(iv)氧化铈(IV)组合物具有大于约12μm且不大于约50μm的粒度D90；(v)氧化铈(IV)组合物具有大于约1nm且不大于约22nm的晶粒大小；和(vi)氧化铈(IV)组合物具有大于约0.0001位点/kg且不大于约0.020个酸性位点/kg的酸性位点浓度。氧化铈(IV)组合物与含亚砷酸盐的水流的接触可从含亚砷酸盐的水流中除去一些亚砷酸盐。按照一些实施方式，为使氧化铈(IV)组合物与含砷酸盐的水流接触的方法。在氧化铈(IV)与含砷酸盐的水流接触期间，下列中的一项或多项是成立的：(i)氧化铈(IV)组合物具有不大于约30mV且大于约1mV的在约pH7下的ζ电势；(ii)氧化铈(IV)组合物具有大于约0.5μm且不大于约7μm的粒度D10；(iii)氧化铈(IV)组合物具有大于约2μm且不大于约20μm的粒度D50；(iv)氧化铈(IV)组合物具有大于约12μm且不大于约50μm的粒度D90；(v)氧化铈(IV)组合物具有大于约1nm且不大于约22nm的晶粒大小；和(vi)氧化铈(IV)组合物具有大于约0.0001位点/kg且不大于约0.020个酸性位点/kg的酸性位点浓度。氧化铈(IV)组合物与含砷酸盐的水流的接触可从含砷酸盐的水流中除去一些砷酸盐。按照一本文档来自技高网...

【技术保护点】
方法，包括：使氧化铈(IV)组合物与含砷的水流接触，其中下列(i)至(vi)中的一项或多项是成立的：(i)所述氧化铈(IV)组合物具有不大于约30mV且大于约1mV的在约pH 7下的ζ电势；(ii)所述氧化铈(IV)组合物具有大于约0.5μm且不大于约7μm的粒度D10；(iii)所述氧化铈(IV)组合物具有大于约2μm且不大于约20μm的粒度D50；(iv)所述氧化铈(IV)组合物具有大于约12μm且不大于约50μm的粒度D90；(v)所述氧化铈(IV)组合物具有大于约1nm且不大于约22nm的晶粒大小；和(vi)所述氧化铈(IV)组合物具有大于约0.0001个酸性位点/kg且不大于约0.020个酸性位点/kg的酸性位点浓度；且其中所述氧化铈(IV)组合物与所述含砷的水流的接触从含生物污染物的水流中除去砷的一部分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.07 US 61/949,7991.方法，包括：使氧化铈(IV)组合物与含砷的水流接触，其中下列(i)至(vi)中的一项或多项是成立的：(i)所述氧化铈(IV)组合物具有不大于约30mV且大于约1mV的在约pH7下的ζ电势；(ii)所述氧化铈(IV)组合物具有大于约0.5μm且不大于约7μm的粒度D10；(iii)所述氧化铈(IV)组合物具有大于约2μm且不大于约20μm的粒度D50；(iv)所述氧化铈(IV)组合物具有大于约12μm且不大于约50μm的粒度D90；(v)所述氧化铈(IV)组合物具有大于约1nm且不大于约22nm的晶粒大小；和(vi)所述氧化铈(IV)组合物具有大于约0.0001个酸性位点/kg且不大于约0.020个酸性位点/kg的酸性位点浓度；且其中所述氧化铈(IV)组合物与所述含砷的水流的接触从含生物污染物的水流中除去砷的一部分。2.权利要求1的方法，其中所述砷包括亚砷酸盐和砷酸盐的一种或两种。3.权利要求2的方法，其中下列中的一项或多项是成立的：(I)其中所述氧化铈(IV)组合物除去比铈(IV)的氧化物多约125％的砷(III)/克CeO2，以含砷流中μg/L的砷(III)计；(II)其中所述氧化铈(IV)组合物除去比铈(IV)的氧化物多约150％的砷(III)/克CeO2，以含砷流中μg/L的砷(III)计；(III)其中所述氧化铈(IV)组合物除去比铈(IV)的氧化物多约200％的砷(V)/克CeO2，以含砷流中μg/L的砷(V)计；(IV)其中所述氧化铈(IV)组合物除去比铈(IV)的氧化物多约400％的砷(V)/克CeO2，以含砷流中μg/L的砷(V)计；且其中(i)、(ii)、(iii)、(iv)、(v)和(vi)中的一项或多项对于所述铈(IV)的氧化物是不成立的。4.权利要求2的方法，其中下列中的一项或多项是成立的：(A)其中所述氧化铈(IV)组合物除去比铈(IV)的氧化物多约125％的砷(III)，以含砷流中的砷(III)的μg/L计；(B)其中所述氧化铈(IV)组合物除去比铈(IV)的氧化物多约150％的砷(III)，以含砷流中的砷(III)的μg/L计；(C)其中所述氧化铈(IV)组合物除去比铈(IV)的氧化物多约200％的砷(V)，以含砷流中的砷(V)的μg/L计；(D)其中所述氧化铈(IV)组合物除去比铈(IV)的氧化物多约400％的砷(V)，以含砷流中的砷(V)的μg/L计；(E)其中所述含砷的水流在氧化铈(IV)与所述含砷的接触期间具有约pH4.5-约9.5的pH，其中所述氧化铈(IV)组合物比氧化铈(IV)的氧化物除去更多的砷/克CeO2。其中(i)、(ii)、(iii)、(iv)、(v)和(vi)中的一项或多项对于所述铈(IV)的氧化物是不成立的。5.权利要求2的方法，其中所述氧化铈(IV)组合物对于约0.5-约5ppb的平衡亚砷酸盐浓度具有2.1-约6.0mg/g的亚砷酸盐荷载能力，且其中所述氧化铈(IV)组合物对于约0.5-约2.5ppb的平衡砷酸盐浓度具有0.1-约0.2mg/g的砷酸盐荷载能力。6.权利要求1的方法，其中下列之一是成立的：(a)其中(i)-(vi)之一是成立的且(i)-(vi)中的其它五项是不成立的；(b)其中(i)-(vi)中的两项是成立的且(i)-(vi)中的其它四项是不成立的；(c)其中(i)-(vi)中的三项是成立的且(i)-(vi)中的其它三项是不成立的；(d)其中(i)-(vi)中的四项是成立的且(i)-(vi)中的其它两项是不成立的；(e)其中(i)-(vi)中的五项是成立的且(i)-(vi)中的其它一项是不成立的；和(f)其中(i)-(vi)的全部六项均是成立的。7.权利要求1的方法，其中下列中的一项或多项是成立的：(a)其中在约pH7下的ζ电势为约7.5-约12.5mV；(b)其中所述粒度D10为约1-约3μm；(c)其中所述粒度D50为约7.5-约10.5μm；(d)其中所述粒度D90为约20-约30μm；(e)其中所述晶粒大小为约7.5-约12.5nm；和(f)其中酸性位点数量不大于约0.02个酸性位点/kg。8.权利要求1的方法，其中所述氧化铈(IV)组合物包括不同于Ce(IV)O2的稀土氧化物，且其中所述不同于Ce(IV)O2的稀土氧化物占所述氧化铈(IV)组合物的不大于约40wt％、不大于约25wt％和不大于约10wt％之一。9.权利要求1的方法，其中所述氧化铈(IV)没有任何添加的包括一种或多种硅、钛和锆的非稀土材料。10.权利要求1的方法，其中所述氧化铈(IV)组合物对于约0.5-约5ppb的平衡亚砷酸盐浓度具有2.1-约6.0...

【专利技术属性】
技术研发人员：D普萨拉斯，Y高，M哈内莱恩，J卢波，C兰迪，
申请(专利权)人：安全自然资源有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US