劉宏達(dá) 張達(dá) 扎喜措

摘 要：我國(guó)西北地區(qū)，山地和盆地相間分布。雖然在西北地區(qū)地下水資源比較豐富，但該地的干旱氣候十分復(fù)雜，且多變化，導(dǎo)致氟離子在地下水中富集，由于人體攝入氟過量，西北地區(qū)氟中毒疾病蔓延廣泛。本項(xiàng)目以冰凍降氟理論為指導(dǎo)，通過室內(nèi)冰凍降氟試驗(yàn)研究驗(yàn)證冰凍降氟原理，并進(jìn)一步研究溫度、冰凍時(shí)間、母液濃度對(duì)降氟效果的影響，找出最適宜條件用以將冰凍降氟原理用于西北地區(qū)地下水降氟工程。

關(guān)鍵詞：冰凍降氟；溫度；結(jié)冰率；母液濃度

1 冰凍降氟實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)過程中用到的儀器有恒溫冰箱，電磁攪拌器，氟離子選擇電極，甘汞電極，500ml容量瓶，燒杯，移液管，溫度計(jì)，量筒，膠頭滴管，PH試紙，離子計(jì)等；用到的試劑有蒸餾水，氟化鈉，氯化鈉，碳酸氫鈉，檸檬酸鈉，濃鹽酸等。樣液是通過將氟化鈉按一定配比加入到蒸餾水中配制而成的，樣品中的F的濃度分別為2mg/L，6mg/L，10mg/L，15mg/L，20mg/L。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟與流程

本實(shí)驗(yàn)利用人工制冷系統(tǒng)即用恒溫冷凍冰箱來(lái)創(chuàng)造低溫環(huán)境，在500ml塑料燒杯中加入樣液，放入冰箱中，對(duì)高氟水進(jìn)行冰凍，分別調(diào)整冷凍溫度以及冷凍時(shí)間，在不同溫度和不同冰凍時(shí)間下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取冰水混合物，然后通過物理方法將冰與母液分離，測(cè)結(jié)冰率，然后等冰融化后測(cè)定冰融水中氟離子濃度，將各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在記錄表上，通過分析計(jì)算求出冰凍前后的降氟率，畫出各個(gè)條件下降氟率與變化因子之間的關(guān)系曲線，研究不同冷凍時(shí)間、冷凍溫度，以及不同溶液濃度對(duì)降氟效果的影響，找出有利于實(shí)際生產(chǎn)的最佳冷凍條件。

2 不同因素對(duì)冰凍降氟效果的影響分析

蒸餾水水加氟化鈉實(shí)驗(yàn)研究：根據(jù)計(jì)算出的配比，將氯化鈉加入到蒸餾水中，配制出氟離子濃度為2mg/L，6mg/L，10mg/L，15mg/L，20mg/L的溶液，擬設(shè)計(jì)60個(gè)水樣，共12組，在恒溫冰箱內(nèi)進(jìn)行冰凍，調(diào)整冰凍時(shí)間長(zhǎng)度以及調(diào)整冰凍溫度，冰凍過程結(jié)束后，將冰水混合物分離，取冰，待其融化后，用氟離子選擇電極法測(cè)定冰融水中的氟離子濃度。利用Grapher軟件繪制氟離子標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2.1 冰凍溫度對(duì)降氟效果的影響

研究不同冰凍溫度下樣液的降氟效果。將得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按照冰凍溫度排序，把某一個(gè)溫度下的所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果即2mg/L，6mg/L，10mg/L，15mg/L，20mg/L的溶液分別經(jīng)過3h，5h，7h，9h冷凍后將冰水溶液通過物理方法分離，將分離后的冰融化成水溶液后通過氟離子選擇電極測(cè)定的降氟率，求取平均值。通過計(jì)算分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，討論冰凍溫度對(duì)降氟效果的影響得出：冰凍溫度在15～20℃之間，降氟效果最好；同時(shí)，還可以得出在10℃、15℃的冰凍溫度下，降氟率變化較大，當(dāng)冰凍溫度達(dá)到17℃左右的時(shí)候，降氟率會(huì)緩慢下降。因此可以認(rèn)為在實(shí)際應(yīng)用中，最佳冰凍降氟溫度應(yīng)控制在16℃～18℃之間。

2.2 結(jié)冰率對(duì)降氟效果的影響

在研究結(jié)冰率對(duì)降氟效果的影響時(shí)，為了排除冰凍溫度對(duì)降氟效果的影響，我們?cè)诓煌瑴囟认戮唧w分析結(jié)冰率對(duì)降氟效果的影響。

將所有不同溫度下的水樣分為10℃、15℃、20℃三類，實(shí)驗(yàn)所用樣品濃度為2mg/l、6mg/l、10mg/l、15mg/l、20mg/l的溶液，分別冷凍3h、5h、7h、9h。通過研究實(shí)驗(yàn)中不同溫度下結(jié)冰率與降氟效果的關(guān)系，來(lái)研究結(jié)冰率對(duì)降氟效果的影響。在每個(gè)不同的冷凍溫度下的水樣按結(jié)冰率大小進(jìn)行排序，在三個(gè)不同溫度下具體分析，觀察不同溫度點(diǎn)下的結(jié)冰率與降氟率的關(guān)系。

分別統(tǒng)計(jì)三個(gè)溫度下結(jié)冰率與降氟率的關(guān)系。通過數(shù)據(jù)的分析處理，得出結(jié)論：1）在10℃下，當(dāng)結(jié)冰率處于0%～20%的區(qū)間時(shí)，降氟率隨著結(jié)冰率的增加逐漸上升。而當(dāng)結(jié)冰率處于20%～30%的溫度區(qū)間時(shí)，隨結(jié)冰率的增加降氟率趨于不變；在15℃溫度點(diǎn)下，隨著結(jié)冰率的變化降氟率雖有變化但一直集中在99.5～100%之間；在20℃溫度點(diǎn)下，隨著結(jié)冰率的變化降氟率雖有變化在一直集中在99.4～100%之間。在15℃、20℃當(dāng)結(jié)冰率高于70%時(shí)，降氟率迅速下降。所以實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)將結(jié)冰率控制在40%～70%之間。

2.3 原溶液的濃度對(duì)降氟效果的影響

為了研究原溶液濃度對(duì)降氟效果的影響，按照原溶液氟離子濃度的大小將所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，并將同一氟離子濃度下所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果即包括高氟水溶液在10℃，15℃，20℃冰凍溫度下經(jīng)3h，5h，7h，9h冷凍后所得冰水混合物分離取冰，將冰融化成水溶液后測(cè)定的降氟率，求取平均值。通過分析原溶液氟離子含量和降氟率的關(guān)系，得到原溶液氟離子含量對(duì)降氟效果的影響。

經(jīng)數(shù)據(jù)分析，原溶液中氟離子含量按2mg/L，6mg/L，10mg/L，15mg/L，20mg/L進(jìn)行變化時(shí)，冰凍降氟方法的降氟率較為穩(wěn)定，其大小在99%～99.8%之間變化，可見降氟率的變化范圍不大。除此之外，通過分析原溶液氟離子含量與降氟率的關(guān)系曲線得出原溶液中氟離子濃度處于15mg/L到20mg/L之間時(shí)，降氟率會(huì)明顯下降，即當(dāng)原溶液中的氟離子濃度大于15mg/L時(shí)，冰凍降氟的效果會(huì)有所下降。

3 結(jié)論

1）在不同溫度下進(jìn)行的冰凍降氟實(shí)驗(yàn)表明：隨著冰凍溫度的降低，降氟率逐漸下降，最佳冰凍降氟溫度區(qū)間為16℃～18℃。不同結(jié)冰率下冰凍降氟實(shí)驗(yàn)表明：在15℃溫度點(diǎn)下，隨著結(jié)冰率的變化降氟率雖有變化在一直集中在99.5～100%之間；在20℃溫度點(diǎn)下，隨著結(jié)冰率的變化降氟率雖有變化在一直集中在99.4～100%之間。由圖可知，在15℃、20℃當(dāng)結(jié)冰率高于70%時(shí)，降氟率下降梯度增大。故在冰凍降氟技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)冰率的合理選用區(qū)間在40%～70%之間。

2）在不同濃度的原溶液中進(jìn)行的冰凍降氟實(shí)驗(yàn)表明：原溶液中氟離子的濃度在較大范圍內(nèi)進(jìn)行變化時(shí)，冰凍降氟方法的降氟率較為穩(wěn)定，變化范圍在99%～99.8%之間。

作者簡(jiǎn)介：劉宏達(dá)，男，河北衡水人，本科，地下水科學(xué)與工程專業(yè)。