CN100548434C

CN100548434C - 用于去除水中氨氮的过滤介质及其制备方法以及由该过滤介质制成的滤芯

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Publication number: CN100548434C
Application number: CNB2007101284477A
Authority: CN
Inventors: 周奇迪; 栾云堂
Original assignee: QIDI Electric Group Co Ltd
Current assignee: QIDI Electric Group Co Ltd
Priority date: 2007-07-12
Filing date: 2007-07-12
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2027-07-12
Also published as: CN101138689A

Abstract

一种过滤介质的制备方法，包括将以下组分混合，在模具中压制，然后在150～400℃温度下烧结，冷却：100～300重量份的超高分子量聚乙烯；10～50重量份的锌粉或氧化锌或氢氧化锌中的一种或一种以上的组合；0～20重量份的稀土氧化物；以及50～200重量份的活性炭或10～200重量份的改性沸石粉或者两者的组合。用上述的方法制备过滤介质或滤芯，可用来去除水中氨氮。本发明实现了无二次污染、高效率地用于去除氨氮，并且制成的滤芯使用方便、成本低廉。采用本发明净化后的水质经检测，氨氮的去除效率达75～90%。

Description

用于去除水中氨氮的过滤介质及其制备方法以及由该过滤介质制成的滤芯

技术领域

本发明涉及一种过滤介质及其制备方法，还涉及由该过滤介质构成的滤芯，还涉及一种采用本发明的过滤介质或滤芯去除水中氨氮的方法。

背景技术

氨氮是我国饮用水中普遍面临的问题。以往，氨氮的主要来源是人和动物的排泄物，氨氮污染不是很严重。近年来，工农业的发展对环境污染非常严重，也造成氨氮的超标，雨水径流以及农用化肥的流失是氮的主要来源。另外，来自化工、冶金、石油化工、油漆颜料、煤气、炼焦、化肥等工业废水中的排放也造成饮用水源中氨氮含量的增加。

自来水中含有高浓度的氨氮会产生亚硝酸盐问题，尤其是在我国多层建筑中广泛采用的屋顶水箱中，易受到二次污染，造成死水，产生硝酸盐或亚硝酸盐，危害人体健康。另外，如果饮用水中氨氮的浓度过高，在消毒时会产生令人厌恶的臭味。

传统的氨氮处理方法有吹脱法、离子交换法和硝化与反硝化法等。

吹脱法处理后水中的氨浓度能低于1毫克/升，但是它对低温水除氨的效果明显降低。

离子交换法用于处理水中微量氨不失为一种有效的方法，但是传统使用的离子交换剂由于能优先与其他离子进行交换而不利于氨的去除，并且离子交换方法处理的水不适合直接饮用。

硝化与反硝化法适用于工业废水中去除氨氮，对含低浓度氨的水处理基本无效。

此外，目前研究中的技术还有生物法去除氨氮技术，它虽然对氨氮去除效果较好，但处理后的水中有细菌流出，并且容易产生新的污染物--亚硝酸盐。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种使用方便、无二次污染、高效率的过滤介质及其制备方法以及由该过滤介质制成的滤芯。本发明还提供了一种采用上述的过滤介质或滤芯去除饮用水中氨氮的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种过滤介质的制备方法，包括将以下组分混合，在模具中压制，然后在150～400℃温度下烧结，冷却：

100～300重量份的超高分子量聚乙烯；

10～50重量份的锌粉或氧化锌或氢氧化锌中的一种或一种以上的组合；

0～20重量份的稀土氧化物；以及

50～200重量份的活性炭或10～200重量份的改性沸石粉或者两者的组合。

作为优选，烧结温度为180～280℃，烧结时间不少于60分钟，更优选90～240分钟。

对于混合步骤，可以认为任何不会显著改变粉体粒径和粒度分布的低剪切混合器或搅拌器都是适用的，比如具有钝的叶轮叶片的搅拌器、滚筒式混合器、螺旋式搅拌器等，混合过程中控制旋转部件(如搅拌轴)的转速，转速过快会将粒径较细、比重较轻的粉体扬起，从而恶化工作环境、影响产品的组成。具体的转速要视混合器的类型而定，但以避免扬起粉尘为宜。

混合后的粉体填装入所希望的形状的模具中，通过加压将其压实，压力一般不大于2兆帕，且与所用模具的材质相适应；模具可以由铝、铸铁、钢或任何适当的能承受相应压力、能承受住400℃以上温度的材料制造。可以在模具内表面涂敷脱模剂，可选用硅氧烷油、铝箔或任何其他的几乎不会吸附到过滤介质上的市售脱模剂。

在本发明中，稀土氧化物选自氧化镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕、氧化钷、氧化钐、氧化铕、氧化钆、氧化铽、氧化镝、氧化钬、氧化铒、氧化铥、氧化镱、氧化镥中的一种或几种，优选氧化镧。

在本发明中，锌在水中与氨发生化学反应，生成络合物氢氧化锌氨，化学反应式如下：

Zn+H₂O+1/2O₂＝Zn(OH)₂ (1)

Zn(OH)₂+4NH₃＝[Zn(NH₃)₄](OH)₂ (2)

氧化锌在水中也可以发生类似的反应，反应方程式如下

ZnO+H₂O+4NH₃＝[Zn(NH₃)₄](OH)₂ (3)

水中的铵离子(NH₄ ⁺)也可以发生类似的化学反应，

Zn(OH)₂+4NH₄ ⁺＝[Zn(NH₃)₄](OH)₂+4H⁺ (4)

ZnO+H₂O+4NH₄ ⁺＝[Zn(NH₃)₄](OH)₂+4H⁺ (5)

生成的不溶物被医用活性炭粉或者沸石粉吸附，从而可以将水中的氨、铵等一并去除。加入的稀土氧化物可以对氧化反应起催化作用，促进对氨氮的去除。

一般定义150万～700万的聚乙烯为超高分子量聚乙烯，本发明优选250～400万的超高分子量聚乙烯。与低分子量聚乙烯相比，一个显著特征是超高分子量聚乙烯具有强大的静电吸附作用，可吸附微过滤不能够拦阻的细微、超细微颗粒。作为优选，超高分子量聚乙烯的分子量为250～400万，粒径为89～420微米。超高分子量聚乙烯可从国内生产厂家得到，如北京东方石油化工有限公司助剂二厂可提供M-I(分子量为150±50万)、M-II(分子量为250±50万)、M-III(分子量为350±50万)、M-IV(分子量为大于400万)等规格的产品。

在本发明中，超高分子量聚乙烯还起到粘结和形成过滤介质骨架、孔腔的作用。

天然沸石是含水多孔硅酸盐的总称，其结晶结构主要是由硅氧四面体构成，其中部分四价硅离子被三价铝离子取代，导致负电荷过剩，因此结构中有碱金属或碱土金属等平衡电荷的离子，同时沸石架构中有一定孔径的孔腔和孔道，决定了其具有吸附、离子交换等性质，其离子交换选择性顺序为：Cs⁺＞Rb⁺＞K⁺＞NH₄ ⁺＞Ba²⁺＞Sr²⁺＞Na⁺＞Ca²⁺＞Fe³⁺＞Al³⁺＞Mg²⁺＞Li⁺，可见其对氨氮具有很强的选择性吸附/离子交换能力，因而可被用于含氨氮的水的处理。

天然沸石可以通过酸处理加工工艺进行改性处理：将天然沸石粉碎至5～80目，用浓度为4～10wt％的盐酸或硫酸浸渍处理10～20小时，经碳酸钠或苛性碱中和后洗涤，在水煮30～60分钟；将煮沸后的沸石干燥，然后在350～580℃温度下焙烧，然后粉碎至所需要的粒度。

还可以通过煅烧工艺，将天然沸石焙烧到温度足够高时，用水骤冷，然后干燥、粉碎得到改性沸石粉。

此外，天然沸石还可以改性成为Na型沸石、H型沸石、P型沸石沸石或八面沸石等。

如，将3克10～20目的沸石矿放入NaOH浸液中，在95±5℃下加热70小时，即获得P型沸石粉。

又如，将天然沸石用稀无机酸处理，可以是盐酸、硫酸、硝酸、高氯酸，使H⁺交换率至少在20％以上，成形后在90～110℃干燥，最后以350～600℃温度加热活化，即成H型沸石。

再如，将沸石用过量的钠盐处理，如氯化钠，硫酸钠，硝酸钠等，使Na⁺的交换率至少在75％以上，成形后在90～110℃干燥，最后以350～600℃温度加热活化，即成Na型沸石。

沸石经改性处理后，可去除矿物中所含的杂质和可溶物，在矿物结构中刻蚀出丰富的孔隙和孔腔，增大其接触面积，从而提高沸石的吸附、离子交换等性质。

作为优选，改性沸石粉的粒径为44～124微米。

活性炭是一种多孔性炭吸附剂，它具有如蜂窝状丰富的孔隙结构、巨大的比表面积、特异的表面官能团、稳定的物理和化学性能，是优良的吸附剂、催化剂或催化剂载体。根据原料来源不同活性炭可分为木质活性炭，如椰壳活性炭、杏壳活性炭、木质粉炭等；矿物质原料活性炭，如各种煤和石油及其加工产物为原料制成的活性炭；其它原料制成的活性炭，如废橡胶、废塑料等制成的活性炭。其中以椰壳材质为来源的活性炭强度较高、吸附性能较好。优选活性炭的比表面积不低于500平方米/克，更优选不低于1000平方米/克。

活性炭可以高效吸附饮水中的有机物、重金属、异色异味，尤其是医用活性炭，作为通过国家相关药品监督标准的产品，杂质含量更低，表面积更大，吸附效果也更好，对颜色和气味的吸附尤佳。选用医用活性炭可以保证过滤介质直接用于饮用水的处理。作为优选，活性炭选用粒径为38～250微米的医用活性炭。

活性炭与超高分子量聚乙烯混合使用会产生协同效应，其过滤、吸附效果会更加显著。

在本发明中，对超高分子量聚乙烯的用量以及粉体的粒径进行了优化，既保证了过滤介质的过滤效果，又可以得到合理的出水流量。

本发明还提供了以下技术方案：用上述的方法制备过滤介质，此过滤介质用于制成滤芯；过滤介质和滤芯可用于去除水中氨氮。

相对于现有技术，本发明的优点在于制备的过滤介质及滤芯除了可以净化水质外，还实现了无二次污染、高效率地去除氨氮。家庭终端饮水机采用本发明的滤芯后，饮用水的氨氮的去除效率为75～90％。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的技术特征与内容，下面结合实施例对滤芯的制备进行详细说明。

为了更清楚的描述本发明，在说明书中，采用了目数(Mesh)的单位。目数是指每平方英时筛网上的孔的数目，除了表示筛网的孔眼外，它同时用于表示能够通过筛网的粒子的粒径，目数越高，粒径越小。本发明参照如下的目数与粒度的数据对照表(表1)。

表1 粒径单位：μm(微米)

目数	粒径μm	目数	粒径μm	目数	粒径μm	目数	粒径μm
目数	粒径μm	目数	粒径μm	目数	粒径μm	目数	粒径μm	25	710	50	297	140	104	325	44
30	590	60	250	170	89	400	38	25	710	50	297	140	104	325	44
30	590	60	250	170	89	400	38	35	500	80	178	200	74	460	30
40	420	100	150	230	61	540	26	35	500	80	178	200	74	460	30
40	420	100	150	230	61	540	26	45	350	120	124	270	53	650	21

实施例1

称取粒度为230～325目(可以通过230目的筛孔但不可以通过325目的筛孔，以下相同)的医用活性炭100克，分子量为350万的超高分子量聚乙烯200克，锌粉20克，放入机械搅拌器中搅拌，取出部分装填入管状模具中，在1MPa液压压力下压制，在250℃温度下烧结150分钟后，冷却至40℃脱模，可得成多微细孔的管状滤芯。

实施例2

称取粒度为120～200目的酸处理的改性沸石粉100克，分子量为400万的超高分子量聚乙烯200克，氧化锌粉15克，氧化镧5克，放入机械搅拌器中搅拌，取出部分装填入管状模具中，在0.6MPa液压压力下压制，在280℃温度下烧结90分钟后，冷却至40℃脱模，可得成多微细孔的管状滤芯。

实施例3

称取粒度为200～270目的Na型沸石粉50克，粒度为230～325目的医用活性炭50克，分子量为400万的超高分子量聚乙烯200克，氢氧化锌粉20克，氧化镧8克，放入机械搅拌器中搅拌，取出部分装填入管状模具中，在0.8MPa液压压力下压制，在180℃温度下烧结200分钟后，冷却至40℃脱模，可得成多微细孔的管状滤芯。

将上述三种滤芯分别置于相应尺寸的塑料壳体中，进行过滤实验。使分别含有2微克/升、5微克/升、10微克/升的氨氮量的水经过滤芯过滤，然后用气相分子吸收光谱法(HJ/T195-2005)进行检测。结果表明，三种滤芯对氨氮物质的过滤率分别为75％、82％、89％。

以上对本发明所提供的过滤介质及其制备方法、以及由该过滤介质制成的滤芯进行了详细介绍，并应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想在具体实施方式及应用范围上可能在实施过程中会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1、一种用于去除水中氨氮的过滤介质的制备方法，包括将以下组分混合，在模具中压制，然后在150～400℃温度下烧结，冷却：

100～300重量份的超高分子量聚乙烯；

10～50重量份的锌粉或氧化锌或氢氧化锌；

0～20重量份的稀土氧化物；以及

50～200重量份的活性炭或10～200重量份的改性沸石粉或者两者的组合；所述超高分子量聚乙烯的粒径为89～420微米，所述改性沸石粉的粒径为44～124微米，所述活性炭为粒径为38～250微米的医用活性炭，所述改性沸石粉为由天然沸石改性而成的Na型沸石、H型沸石、P型沸石、NH₄型沸石或八面沸石。

2、如权利要求1所述的制备方法，其中烧结温度为180～280℃，烧结时间不少于60分钟。

3、如权利要求1所述的制备方法，其中稀土氧化物选自氧化镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕、氧化钷、氧化钐、氧化铕、氧化钆、氧化铽、氧化镝、氧化钬、氧化铒、氧化铥、氧化镱、氧化镥中的一种或几种。

4、如权利要求1所述的制备方法，其中超高分子量聚乙烯的分子量为250～400万。

5、根据权利要求1所述的制备方法得到的用于去除水中氨氮的过滤介质。

6、由权利要求5所述的过滤介质构成的用于去除水中氨氮的滤芯。

7、一种去除水中氨氮的方法，包括使用权利要求5所述的过滤介质或权利要求6所述的滤芯。