冰凍降氟實驗研究

劉宏達 張達 扎喜措

摘 要：我國西北地區，山地和盆地相間分布。雖然在西北地區地下水資源比較豐富，但該地的干旱氣候十分復雜，且多變化，導致氟離子在地下水中富集，由于人體攝入氟過量，西北地區氟中毒疾病蔓延廣泛。本項目以冰凍降氟理論為指導，通過室內冰凍降氟試驗研究驗證冰凍降氟原理，并進一步研究溫度、冰凍時間、母液濃度對降氟效果的影響，找出最適宜條件用以將冰凍降氟原理用于西北地區地下水降氟工程。

關鍵詞：冰凍降氟；溫度；結冰率；母液濃度

1 冰凍降氟實驗設計

1.1 實驗材料

實驗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，量筒，膠頭滴管，PH試紙，離子計等；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 實驗步驟與流程

本實驗利用人工制冷系統即用恒溫冷凍冰箱來創造低溫環境，在500ml塑料燒杯中加入樣液，放入冰箱中，對高氟水進行冰凍，分別調整冷凍溫度以及冷凍時間，在不同溫度和不同冰凍時間下進行實驗，實驗結束后取冰水混合物，然后通過物理方法將冰與母液分離，測結冰率，然后等冰融化后測定冰融水中氟離子濃度，將各項實驗數據記錄在記錄表上，通過分析計算求出冰凍前后的降氟率，畫出各個條件下降氟率與變化因子之間的關系曲線，研究不同冷凍時間、冷凍溫度，以及不同溶液濃度對降氟效果的影響，找出有利于實際生產的最佳冷凍條件。

2 不同因素對冰凍降氟效果的影響分析

蒸餾水水加氟化鈉實驗研究：根據計算出的配比，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，擬設計60個水樣，共12組，在恒溫冰箱內進行冰凍，調整冰凍時間長度以及調整冰凍溫度，冰凍過程結束后，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定冰融水中的氟離子濃度。利用Grapher軟件繪制氟離子標準曲線。

2.1 冰凍溫度對降氟效果的影響

研究不同冰凍溫度下樣液的降氟效果。將得到的實驗數據按照冰凍溫度排序，把某一個溫度下的所有實驗結果即2mg/L，6mg/L，10mg/L，15mg/L，20mg/L的溶液分別經過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定的降氟率，求取平均值。通過計算分析實驗數據，討論冰凍溫度對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，還可以得出在10℃、15℃的冰凍溫度下，降氟率變化較大，當冰凍溫度達到17℃左右的時候，降氟率會緩慢下降。因此可以認為在實際應用中，最佳冰凍降氟溫度應控制在16℃～18℃之間。

2.2 結冰率對降氟效果的影響

在研究結冰率對降氟效果的影響時，為了排除冰凍溫度對降氟效果的影響，我們在不同溫度下具體分析結冰率對降氟效果的影響。

將所有不同溫度下的水樣分為10℃、15℃、20℃三類，實驗所用樣品濃度為2mg/l、6mg/l、10mg/l、15mg/l、20mg/l的溶液，分別冷凍3h、5h、7h、9h。通過研究實驗中不同溫度下結冰率與降氟效果的關系，來研究結冰率對降氟效果的影響。在每個不同的冷凍溫度下的水樣按結冰率大小進行排序，在三個不同溫度下具體分析，觀察不同溫度點下的結冰率與降氟率的關系。

分別統計三個溫度下結冰率與降氟率的關系。通過數據的分析處理，得出結論：1）在10℃下，當結冰率處于0%～20%的區間時，降氟率隨著結冰率的增加逐漸上升。而當結冰率處于20%～30%的溫度區間時，隨結冰率的增加降氟率趨于不變；在15℃溫度點下，隨著結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℃溫度點下，隨著結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℃當結冰率高于70%時，降氟率迅速下降。所以實際生產應將結冰率控制在40%～70%之間。

2.3 原溶液的濃度對降氟效果的影響

為了研究原溶液濃度對降氟效果的影響，按照原溶液氟離子濃度的大小將所得到的實驗數據進行排序，并將同一氟離子濃度下所有的實驗結果即包括高氟水溶液在10℃，15℃，20℃冰凍溫度下經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系，得到原溶液氟離子含量對降氟效果的影響。

經數據分析，原溶液中氟離子含量按2mg/L，6mg/L，10mg/L，15mg/L，20mg/L進行變化時，冰凍降氟方法的降氟率較為穩定，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系曲線得出原溶液中氟離子濃度處于15mg/L到20mg/L之間時，降氟率會明顯下降，即當原溶液中的氟離子濃度大于15mg/L時，冰凍降氟的效果會有所下降。

3 結論

1）在不同溫度下進行的冰凍降氟實驗表明：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間為16℃～18℃。不同結冰率下冰凍降氟實驗表明：在15℃溫度點下，隨著結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℃溫度點下，隨著結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℃當結冰率高于70%時，降氟率下降梯度增大。故在冰凍降氟技術的實際應用中，結冰率的合理選用區間在40%～70%之間。

2）在不同濃度的原溶液中進行的冰凍降氟實驗表明：原溶液中氟離子的濃度在較大范圍內進行變化時，冰凍降氟方法的降氟率較為穩定，變化范圍在99%～99.8%之間。

作者簡介：劉宏達，男，河北衡水人，本科，地下水科學與工程專業。