CN101417193B

CN101417193B - 纳米微晶复合滤料

Info

Publication number: CN101417193B
Application number: CN200810195215.8A
Authority: CN
Inventors: 徐正农; 傅成义
Original assignee: JIANGSU ZHENGBEN PURIFICATION WATER-SAVING TECHNOLOGY INDUSTRY Co Ltd
Priority date: 2008-11-07
Filing date: 2008-11-07
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2028-11-07
Also published as: CN101417193A

Abstract

本发明公开了一种纳米微晶复合滤料，包括3～95％重量比的纳米级凹凸棒石粘土、10～35％重量比的硅藻土、0～5％重量比的活性炭粉末、2～25％重量比的高岭土粘土、5～75％重量比的天然沸石、0～20％重量比的柱撑蒙脱石、0～20％重量比的膨胀蛭石和无机粘结剂。本发明用于饮用水深度净化，中水、污水处理系统的生物滤池和高级吸附过滤材料。

Description

纳米微晶复合滤料

技术领域

本发明涉及一种水处理用多用途吸附过滤材料。根据原水水质状况和目标水质标准，适用于饮用水深度净化、中水回用吸附和污水的生物滤池处理的滤料。经本发明处理的水质能提高水体质量、达到饮用、排放或回用标准。

背景技术

自然生态环境下，流经冰川、湿地、湖泊、江河，甚至地下流淌的水质，在其最终通往大海的漫漫长途中，自身始终保持了一种洁净状态。这当中岩石、土壤和植物与水的相互作用起到了关键的作用。具有纳米微孔结构的铝硅酸盐矿物和所附着之上的植物的对水质的净化功能，是作用的关键所在。更重要的是这种功效是与地球本身同期生效的，至今仍是最安全的水质净化办法。构成岩石、土壤的微孔结构矿物，与其所附生的植物、微生物一道，通过吸附、离子交换、催化、生物降解、生物转化、氧化还原等复杂的作用过程，使自然水体始终保持清洁状态。

本发明专利所涉及的纳米微晶复合滤料，尽力模仿天然水体净化环境，优选各种微孔结构矿物原料和碳素材料，孔径的尺度包含了从纳米到微米的范畴，物质成分从硅酸盐、铝硅酸盐、氧化物到单质，微孔形态分为一维孔、二维层状、三维架状、晶体规则孔、生物骨架孔和膨胀无定形孔等几乎所有可能形态。其目的就是针对水质的复杂性，人工复配再造出一个与之相匹配的复杂界面环境，当待处理水通过该滤料时，其中必有某一作用机理能发挥出净化水质的作用功效。而且所有所接触到的物质对于所通过其中的水来说都确保绝对安全。

目前水处理领域中的滤料，包括PP棉、活性氧化铝、石英砂、陶粒、锰矿砂、煤灰渣、沸石岩、麦饭石、活性炭颗粒等，其作用功能一般比较单一。比如颗粒状活性炭强化了吸附功能就会忽略物理阻挡功能。石英砂突出了阻挡过滤功效但其内孔吸附功能又明显不足。沸石岩碎屑吸附性良好但孔径大小单一，外形不规则，易形成水流短路，生物附着性差。人造合成材料滤料如PP棉等使用寿命短，再生性差，最终处置引起二次污染。

发明内容

本发明的目的是针对现有滤料在水处理工程中表现出来的功能单一、效果低下、无法再生、成本高昂等问题或缺陷，发明一种既能用于饮用水深度净化，又能用于中水回用和污水处理的低成本、多用途、效率高的纳米微晶复合滤料，包括其制造方法。

本发明的技术方案一：

饮用水深度净化用基本纳米微晶复合滤料，其特征是50％重量比的凹凸棒石粘土，30％重量比的硅藻土，15％重量比的片状高岭土粘土和5％重量比的活性炭粉末，充分混合后加入浓度为5％的Na水玻璃溶液作为粘结剂，原料粉末在滚动造粒设备中一边滚动一边喷雾添加粘结剂，直到粒径达到要求完成造粒。老化24小时后送入氮气惰性气体保护炉焙烧活化。加热曲线为升温至150℃恒温30分钟，开始通入惰性气体，加热至500℃恒温2小时，120℃温度以下停止情性气体保护，自然降温至室温出炉。在本案中，凹凸棒石、硅藻土和活性炭均为比表面大的强吸附性物质，其中的凹凸棒石和硅藻土对可溶性有毒有害污染物、重金属等的吸附能力较强，而活性炭对有机污染物、细小微生物的吸附能力较强，少量高岭土的富钾的铝硅酸盐表面成分能调节出水高碱性pH值，凹凸棒石和高岭土还是高塑性粘土，对于硅藻土和活性炭等瘠性吸附材料的球形造粒必不可少。硅藻土的最主要作用是增加球形滤料的透水性和内孔联通性，使得滤料的内部吸附表面发挥作用。水玻璃粘结剂一方面起到固结粉状颗粒，使得滤料在水处理工程中不松散，具有一定的抗水强度。另一方面，又有密封微孔矿物结构孔，降低比表面，弱化吸附能力的缺陷。因此，水玻璃的用量在满足强度要求的情况下要尽可能的低，同时粘结剂中还配以微孔模板，使粘结物本身也发育大量透水性微孔。本案选择Na水玻璃是因为其在相同固化强度的条件下，凝结温度较其它水玻璃更低。可以节约大量的能源。

本发明的技术方案二：

离子交换专用用纳米微晶复合滤料，其特征是20％重量比的凹凸棒石粘土，20％重量比的硅藻土，50％重量比的天然斜发沸石，5％重量比的片状高岭土粘土和5％重量比的活性炭粉末，充分混合后加入无机粘结剂，原料粉末在滚动造粒设备中一边滚动一边喷雾添加粘结剂，直到粒径达到要求完成造粒。老化24小时后送入氮气惰性气体保护炉焙烧活化。加热曲线为升温至150℃恒温30分钟，开始通入惰性气体，加热至500℃恒温2小时，120℃温度以下停止多情气体保护，自然降温至室温出炉。

本案与方案一相比最大的不同在于加入了50％重量比的天然沸石，其目的是提高滤料的离子交换能力，对于高NH3和P水质有特殊的除氨氮、除磷效果。沸石对于带电阳离子的交换功能在自然界是比较强的。本案的纳米微晶复合滤料特别适合以回用为目的的中水，经过初步处理的微污染水质的深度过滤净化工艺使用。

本发明的技术方案三：

生物滤池用纳米微晶复合滤料，其特征是45％重量比的凹凸棒石粘土，35％重量的硅藻土，15％重量比的天然沸石(一般为斜发沸石)，5％重量比的管状埃洛石，原料充分混合后加入无机粘结剂，原料粉末在滚动造粒设备中一边滚动一边喷雾添加粘结剂，直到粒径达到要求完成造粒。老化24小时后送入回转窑炉焙烧活化。加热曲线为升温至150℃恒温30分钟，加热至500℃恒温2小时，自然降温至室温出炉。

本案与前两案例的最大区别在于原料中不加炭素材料(活性炭或竹炭粉末)，平衡pH的物质由管状埃洛石取代片状高岭土。管状埃洛石亦为天然纳米管矿物，管的内径可达20nm，长1微米，对微生物和污染物的容纳滞留能力极强，透水性良好。本案所用粘结剂为一种具有微孔结构的氧化物，本身亦具有良好的吸附性能和抗水强度。生物滤池用纳米微晶复合滤料在水处理工程中作为生物水处理技术的载体材料，其作用原理在于通过生物曝气过程让污水中的微生物污染物在滤料的外表面挂膜富集，滤料的内孔也能大量吸附污染物作为菌种，反冲洗过程能使所挂生物膜脱落但滤料内部菌种始终保存，下一个处理过程继续发挥效率。

发明效果

1、原料种类齐全，所用原料包括了绝大部分微孔结构的矿物，有凹凸棒石、海泡石、硅藻土、高岭土、埃洛石、柱撑蒙脱石、沸石、膨胀蛭石、膨胀珍珠岩等，常用吸附材料活性炭也被包括在之内，炭素材料与硅酸盐微孔材料完美结合，各自发挥原有吸附优势，又兼顾了水中污染物的复杂性。因而最大效率地发挥了净水效果。

2、价格低廉，天然矿物为主体，是目前所能选的最为廉价的原料。最贵的原料为活性炭，用量已经较传统活性炭滤料减少80％以上。添加的无机粘结剂为Si质和Al质微孔材料，均对人体安全无毒，使滤料在各种水处理工程中都可放心使用。500℃烧结工艺是已知同类产品最低固化温度，能源消耗最低，又不破坏矿物晶体结构。

3、用途广泛，适用于多种水处理工艺之中。饮用水深度净化时作为高级吸附剂使用、中水回用工程中作为离子交换和阻挡过滤剂使用、污水处理中作为生物滤池高级滤料和最终的阻挡过滤剂使用。

4、能反复使用，当吸附或过滤作用达到饱和程度时，本滤料因其硅酸盐主成分能方便地通过加热活化再生，并且其使用效率基本保持。这就避免了污水处理中普遍存在的因治污引起的所用材料的二次污染问题。当属于环境友好材料。

5、作用机理先进，完全效仿自然水体的净化作用过程。人工优化组合的微孔结构物质通过吸附、离子交换、催化、生物降解、生物转化、氧化还原等复杂的作用过程协同起效，使水质的清洁过程与大自然自洁过程相同，因而作为长期饮用水滤料使用也可安全放心。

6、滤料技术指标先进，较市售所有滤料有明显的先进性

表1纳米微晶复合滤料的理化指标对比表

指标	本案一	本案二	本案三	活性炭	陶粒	石英砂
							比表面积(m2/g)	289	187	143	438	16	2
颗粒强度(N/颗)	45	41	50	8	86	125
							吸碘值(mg/g)	450	417	398	600	67	18
吸蓝量(mg/g)	48	46	65	231	11	2
							SS去除率(％)	98	98	98(30天)	95	83	91
COD去除率(％)	92	90	80(30天)	95	41	43
							比重(g/cm3)	0.79	0.81	0.93	0.52	0.46	2.3
孔容积(cm3/g)	0.88	0.79	0.84	1.11	0.99	0.1
							颗粒球度(％)	99	99	99	29	93	58

说明：①活性炭、陶粒和石英砂均为随机抽取市售样品。

②SS去除率和COD去除率测定，原水为COD450mg/L的生活污水。本案三的此值为30天生物曝气的结果。

③吸碘值、吸蓝量和两项去除率测定均为100床体积时动态吸附试验平均值。

④球度：粒径直径测量值(最大值-最小值)/粒径直径测量值平均值

具体实施方式

实施例一

饮用水高级滤料用基本纳米微晶复合滤料，其特征是70％重量比的凹凸棒石粘土或者等重量比的海泡石，凹凸棒石和海泡石粘土的用量可以互为替代，20％重量比的硅藻土、10％重量比的膨胀珍珠岩。充分混合后加入水玻璃溶液作为粘结剂，在滚动造粒设备中滚动造粒。老化24小时后送入窑炉焙烧活化。加热曲线为升温至150℃恒温30分钟，加热至500℃恒温2小时。

本例由海泡石粘土部分或全部取代凹凸棒石粘土，因为二者的性质、晶体结构、成分非常类似。这样的替代不会改变产品的性能。透水性材料中增加了膨胀珍珠岩，用来部分替代硅藻土。没有高比表炭素材料加入，因而对有机物的吸附作用相对弱些。配方中也没加平衡pH的高岭土、埃洛石类矿物。因此主要适用于物理阻挡过滤材料。

实施例二

水质改善剂纳米微晶复合滤料，其特征是30％重量比的凹凸棒石粘土、20％重量比的天然沸石、20％重量比的柱撑蒙脱石、20％重量比的膨胀蛭石，10％重量比的硅藻土。加粘结剂滚动造粒，500℃焙烧活化。

本例的特征在于大比例加入了沸石、柱撑蒙脱石、膨胀蛭石，因此材料的阳离子可交换性极大地增强。用于水质软化、离子交换等特殊用途。

实施例三

饮水净化剂纳米微晶复合滤料，其特征是重量比50％的凹凸棒石粘土、重量比25％的硅藻土和重量比25％的竹炭碎屑或竹子碎屑原料，充分混合后加入水玻璃溶液作为粘结剂，在滚动造粒设备中滚动造粒。老化24小时后送入窑炉焙烧活化。加热曲线为升温至150℃恒温30分钟，开始通入惰性气体，加热至500℃恒温2小时，120℃温度以下停止情性气体保护，自然降温至室温出炉。

本例引入竹炭或竹子碎屑替代活性炭粉末，其效果基本相同，竹子碎屑为原料的滤料孔隙度更高，因而降低硅藻土的用量。竹炭的碳化温度较活性炭的碳化温度要低些，比表面和吸附性也因此低些。

Claims

1.一种饮用水深度净化用基本纳米微晶复合滤料，其特征是50％重量比的凹凸棒石粘土，30％重量比的硅藻土，15％重量比的片状高岭土粘土和5％重量比的活性炭粉末，充分混合后加入浓度为5％的Na水玻璃溶液作为粘结剂，原料粉末在滚动造粒设备中一边滚动一边喷雾添加粘结剂，直到粒径达到要求完成造粒；老化24小时后送入氮气惰性气体保护炉焙烧活化；加热曲线为升温至150℃恒温30分钟，开始通入惰性气体，加热至500℃恒温2小时，120℃温度以下停止惰性气体保护，自然降温至室温出炉。

2.一种离子交换专用纳米微晶复合滤料，其特征是20％重量比的凹凸棒石粘土，20％重量比的硅藻土，50％重量比的天然斜发沸石，5％重量比的片状高岭土粘土和5％重量比的活性炭粉末，充分混合后加入无机粘结剂，原料粉末在滚动造粒设备中一边滚动一边喷雾添加粘结剂，直到粒径达到要求完成造粒；老化24小时后送入氮气惰性气体保护炉焙烧活化；加热曲线为升温至150℃恒温30分钟，开始通入惰性气体，加热至500℃恒温2小时，120℃温度以下停止惰性气体保护，自然降温至室温出炉。

3.一种生物滤池用纳米微晶复合滤料，其特征是45％重量比的凹凸棒石粘土，35％重量的硅藻土，15％重量比的天然沸石，5％重量比的管状埃洛石，原料充分混合后加入无机粘结剂，原料粉末在滚动造粒设备中一边滚动一边喷雾添加粘结剂，直到粒径达到要求完成造粒；老化24小时后送入回转窑炉焙烧活化；加热曲线为升温至150℃恒温30分钟，加热至500℃恒温2小时，自然降温至室温出炉。

4.一种饮用水高级滤料用基本纳米微晶复合滤料，其特征是70％重量比的凹凸棒石粘土或者等重量比的海泡石，20％重量比的硅藻土、10％重量比的膨胀珍珠岩；充分混合后加入Na水玻璃溶液作为粘结剂，在滚动造粒设备中滚动造粒；老化24小时后送入窑炉焙烧活化；加热曲线为升温至150℃恒温30分钟，加热至500℃恒温2小时。

5.一种水质改善剂纳米微晶复合滤料，其特征是30％重量比的凹凸棒石粘土、20％重量比的天然沸石、20％重量比的柱撑蒙脱石、20％重量比的膨胀蛭石，10％重量比的硅藻土；加无机粘结剂滚动造粒，500℃焙烧活化。

6.一种饮水净化剂纳米微晶复合滤料，其特征是重量比50％的凹凸棒石粘土、重量比25％的硅藻土和重量比25％的竹炭碎屑或竹子碎屑原料，充分混合后加入Na水玻璃溶液作为粘结剂，在滚动造粒设备中滚动造粒；老化24小时后送入窑炉焙烧活化；加热曲线为升温至150℃恒温30分钟，开始通入惰性气体，加热至500℃恒温2小时，120℃温度以下停止惰性气体保护，自然降温至室温出炉。