用于快速去除水中硼的混合粉末吸附剂-弹簧过滤系统

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Hybrid Powdered Adsorbent-Spring Filter System for Rapid Boron Removal from Water

本研究开发了一种结合辐射诱导接枝共聚法合成的粉末吸附剂与弹簧式滤网的硼高效去除系统。实验表明，该系统在5000 h?1空间流速下对10 mg/L硼溶液去除率达95%以上，吸附剂负载量为13 mg/g，验证了其在高流速条件下的高效性和紧凑性优势，为中小企业提供了可行的废水处理方案。

　　

星野宏之（Hiroyuki Hoshina）| 大道正明（Masaaki Omichi）| 天田原春洋（Haruyo Amada）| 牧野咲代（Sakiyori Mononobe）| 牧野長友（Nagatomo Mononobe）| 加藤元彦（Motohiko Kato）| 内村泰三郎（Taizo Uchimura）| 中野正則（Masanori Nakano）| 星尾达也（Tatsuya Hosoe）| 关雄明（Noriaki Seko）

日本量子科学和技术机构高崎先进量子科学研究所先进功能材料研究部，群马县高崎市渡边1233，邮编370-1292

摘要

根据日本《水污染防治法》，向公共水体的硼排放浓度被规定不得超过10 mg/L。现有的排水系统需要配备一种紧凑、高效且经济可行的硼去除装置，以满足中小企业的需求。在本研究中，以纤维素粉末为基底，通过辐射诱导接枝聚合技术合成了具有高硼亲和力的粉末吸附剂。该方法通过将吸附剂与弹簧式过滤器结合，开发出一种快速去除硼的装置。在流速为5000 m^-1的条件下，使用10 mg/L的硼溶液对装置的硼去除性能进行了评估。结果表明，在床层体积（BV）达到460时，超过95%的硼被去除；每克吸附剂可吸附13 mg的硼，即使在高速流动条件下也表现出高效性能。这些结果表明，该装置在水处理应用中具有很高的硼去除效果。

引言

硼是工业过程中的关键元素，广泛应用于玻璃、钢铁和制药等领域[1][2]。通常，这些行业排放的废水中硼浓度可能非常高（有时甚至超过100 mg/L），会对周围水源造成不良影响。此外，过量摄入硼会对人体健康构成风险，尤其是影响体重减轻和生殖系统[3][4][5][6][7]。因此，根据日本《水污染防治法》，公共水体中的硼排放浓度被规定不得超过10 mg/L[8]。

目前用于去除水中硼的方法包括混凝沉淀[9][10][11]和吸附[2][12]。混凝沉淀法会产生大量含硼的废弃物，给处理带来挑战。最常用的吸附方法是使用颗粒状离子交换树脂[13][14][15]，但这种方法处理速度较慢，需要大规模的处理设施和储存罐。在空间有限的场所安装此类设施往往不切实际，导致许多行业难以达标。因此，对于温泉和电镀等行业，已经制定了临时排放标准，这些行业尤其难以满足通用标准。

因此，亟需开发紧凑高效的硼去除技术。为此，我们开发了一种新型系统，通过将粉末吸附剂与弹簧式过滤器结合来实现快速去除硼。通过辐射诱导接枝聚合（RIGP）技术，将具有硼亲和力的葡萄糖胺功能团[16][17][18]引入纤维素粉末基底上，从而制备出吸附剂[19][20][21][22]。该方法可以在保持聚合物基底原有特性的同时对其进行功能化，适用于纤维[23][24]、膜[25][26]和薄膜[27]等多种形式。选择纤维素粉末作为基底是因为其亲水性和较大的比表面积，这些特性有助于提高硼的吸附效率。

在本研究中，我们开发了一种结合粉末吸附剂和弹簧式过滤器的硼处理装置，并在高流速条件下对其硼去除性能进行了评估。粉末吸附剂通过RIGP方法制备。本研究的主要贡献如下：（1）通过将RIGP制备的粉末吸附剂与弹簧式过滤器结合，建立了一种新型的硼去除系统，并对其性能进行了系统研究；（2）该系统在保持高吸附容量的同时，实现了快速高效的硼去除。这些发现凸显了该紧凑系统在实际废水处理中的潜在应用价值，尤其是在高处理量条件下。

材料

作为粉末吸附剂的基底材料，使用了六种不同粒度和形态的纤维素粉末。对于纤维状纤维素粉末，使用了Rettenmaier Japan Co., Ltd.生产的ARBOCEL产品（平均纤维长度：B600，60 μm；B800，130 μm；BWW40，200 μm）以及Nippon Paper Industries Co., Ltd.生产的KC Flock W-100（平均粒径37 μm）。对于球形纤维素粉末，使用了Rengo Co., Ltd.提供的Viscopearl产品。

使用弹簧式过滤器评估适用于液体流动的粉末形态

为了确定最适合作为吸附剂基底的纤维素粉末，通过将不同纤维素粉末预涂在弹簧式过滤器上来评估粉末形态对液体流动过程中产生的压力的影响[32][33]。研究了六种纤维素粉末：B600、B800、BWW40、W-100、ND-1010和ND-2010。其中，B600、B800、BWW40和W-100具有短纤维形态，尤其是W-100的纤维尺寸最为均匀。

结论

通过将辐射诱导接枝聚合制备的粉末吸附剂与弹簧式过滤器结合，开发出了一种新型的硼去除技术，并对其性能进行了系统评估。这些粉末吸附剂经过NMDG功能团修饰，对硼具有高效的吸附能力。在流速为5000 m^-1的条件下，10 mg/L的硼溶液通过该系统处理后，出水中的硼浓度仍保持在0 mg/L以下。

作者贡献声明

星尾达也（Tatsuya Hosoe）：方法学研究、实验设计。中野正则（Masanori Nakano）：验证、方法学研究、实验设计。内村泰三郎（Taizo Uchimura）：数据可视化、验证、方法学研究、实验设计。加藤元彦（Motohiko Kato）：方法学研究、实验设计。大道正明（Masaaki Omichi）：验证、方法学研究、实验设计。星野宏之（Hiroyuki Hoshina）：论文撰写与审稿、初稿撰写、数据可视化、方法学研究、实验设计、资金筹集、数据分析、概念构建。关雄明（Noriaki Seko）：论文撰写与审稿

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了日本环境省环境恢复与保护机构的环境研究和技术发展基金（JPMEERF20221G02）以及日本学术振兴会（JSPS KAKENHI，项目编号22K04795）的支持。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益或个人关系：星野宏之表示获得了环境恢复与保护机构的财务支持。