CN101596448A - 用于去除水中硝酸盐的过滤介质及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于去除水中硝酸盐的过滤介质的制备方法，包括如下步骤：a)将包含超高分子量聚乙烯、活性炭、竹炭粉、氧化镁和发孔剂的原料混合，超高分子量聚乙烯、活性炭、竹炭粉、氧化镁和发孔剂的重量比为：100～300∶100～200∶100～200∶10～50∶50～100；b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制，烧结，冷却。利用此方法制备的过滤介质去除水中的硝酸盐，去除率达到90％以上，并且方法简单，成本低，见效快。本发明还公开了一种用于去除水中硝酸盐的过滤介质。

Description

用于去除水中硝酸盐的过滤介质及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种去除水中硝酸盐的过滤介质及其制备方法、使用该过滤介质的滤芯、净水装置和饮水机。

背景技术

工业和农业的迅速发展导致水资源遭到严重破坏，工业废水排放到江河、湖泊中，农药、杀虫剂等大量使用以及生活垃圾和生活废水的肆意排放，这些都造成地下水和地表水的水质变差，导致水中产生很多对人体有害的物质。水污染越来越成为影响人们生活的严峻问题。

饮用地下水中硝酸盐浓度相对较高，是世界上许多国家共同面临的环境污染问题。近三、四十年来，我国大多数地区地下水也受到了程度不同的硝酸盐污染，并且有逐年加重的趋势。中国环境医学专家潘小川教授指出：“过量地摄入高硝酸盐的水或食物会诱发一些消化道癌症，例如食道癌、胃癌，甚至肝癌，这一点国际上很多的研究报告都已经有记载。”我国河南林县是食道癌高发区，江苏泰兴和广东广州是胃癌、食道癌、肠癌、肝癌的高发区。男性食胃癌死亡率最高的福建长乐地区，此地区81％的地下井水中硝酸盐含量超标。国际上，日本、哥伦比亚、智利、英国、美国等国家胃癌的发病原因也与地下水中硝酸盐的浓度有关。

地下水中溶解态的氮除了硝酸盐以外，还有亚硝酸盐、氨氮、有机氮和气态氮等，其中硝酸盐污染是最普遍的、污染面积最大的。

硝酸盐的测定方法很多，目前常用的是硝酸盐-铜还原法和锌-硝酸盐还原法。这两种方法的基本原理都是首先将硝酸盐定量地还原为亚硝酸盐，然后按重氮-偶氮光度法测定硝酸盐氮的总量，扣除水体中原有亚硝酸盐氮，得到硝酸盐氮的含量。锌-硝酸盐还原法测定水体中的硝酸盐简便快速，但受水体中含盐量影响较大，其在淡水中的还原率仅为20％左右，因此使用的范围有限，特别是在测定河口水体中的硝酸盐时，由于盐度变化剧烈，锌-硝酸盐还原法实际上无法应用。硝酸盐-铜法测定水体中的硝酸盐优点在于还原率高，无需做盐效应校正，为目前估计上公认的测定水体中硝酸盐的标准方法。

地下水中硝酸盐去除处理技术有沸石法、离子交换法、生物膜法和化学法等，去除硝酸盐有一定的效果，但是也表现出不足，即处理装置太过复杂，去除效率低。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种过滤介质，主要用于去除水中的硝酸盐，从而达到改善水质的目的。

本发明的另一个目的是提供一种用于去除水中硝酸盐的过滤介质的制备方法。

为了达到以上发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于去除水中硝酸盐的过滤介质的制备方法，包括如下步骤：

a)将包含超高分子量聚乙烯、活性炭、竹炭粉、氧化镁和发孔剂的原料混合，超高分子量聚乙烯、活性炭、竹炭粉、氧化镁和发孔剂的重量比为：100～300∶100～200∶100～200∶10～50∶50～100；

b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制，烧结，冷却。

所述的超高分子量聚乙烯为重均分子量大于100万的聚乙烯，优选使用重均分子量为250～400万的聚乙烯。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。超高分子量聚乙烯的一个作用是粘结和形成过滤介质骨架的作用，另外利用超高分子量聚乙烯通过压制，烧结得到的过滤介质，容易形成微孔，可以起到吸附水中杂质的作用。

活性炭是一种多孔性物质，它具有如蜂窝状的孔隙结构、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水中的杂质，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。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。活性炭使用粒径为38～250微米的医用活性炭去除硝酸盐的效果更佳。

竹炭制品，原材料取自于三年以上毛竹，高温无氧干馏而成。竹炭用途相当广泛。用竹炭作燃料，它散发的清香可使满室芬芳，闻之令人神清气爽。竹炭分子结构呈六角形，质地坚硬，细密多孔，吸咐力强，具有吸附功能；竹炭空隙度高，非常适合作为土壤微生物和有机营养成份的载体，可以增强土壤活力，是一种良好的土壤改良剂；竹炭释放微量元素，改善环境，杀害病菌，无害化释放空气；竹炭具有弱导电性，起到防静电作用；竹炭可放射远红外线，波长适合人体吸收，加快血液循环，改善人体内环境，应用于保健。

竹炭生产工艺目前我国烧制竹炭的方法主要有两种，干馏热解法和土窑直接烧制法。(1)干馏热解法：其设备从目前看主要是外热式立式干馏釜，这种干馏釜在烧制竹炭时，既可使用预干至含水率为20％～25％的竹材，也可使用未经预干的竹材，但以使用经预干的竹材为佳。由于在烧制过程中基本不存在竹炭氧化问题，因此竹炭得率较高，一般为25％左右，高者可达35％，烧制周期一般在48～72小时。但精炼温度提不高，影响竹炭密度；干馏釜容积小，竹炭产量低。浙江省有些厂家就采用这种立式干馏釜烧制竹炭。(2)土窑烧制法：它是采用燃料(木材)直接加热方式，即窑口由燃料燃烧产生的热量上升到窑顶后，向窑内扩散，其中大部分热气流流动在上层，有小部分热量向四周辐射，由上往下缓慢干燥并达到预炭化；燃烧窑内部分竹材使窑内温度继续升高，除去挥发性物质，此时窑内烟气循环流动，各点热量和温度基本均匀，完成炭化和精炼阶段，得到结构致密的竹炭。土窑烧制法通常有烟熏预干燥、干燥、预炭化、炭化、煅烧(精炼)、自然冷却等阶段。各个阶段有不同的温度，烟熏预干燥阶段为60～100℃，干燥阶段为100～150℃，预炭化阶段为150～270℃，炭化阶段为270～450℃，煅烧阶段为450℃～1000℃左右。从目前土窑烧炭的过程来看，各阶段的温度和炭化速度是通过操作者“眼观鼻嗅”，一是观察烟囱及窑门出烟口烟的变化；二是通过闻烟味来确定。土窑用的鲜毛竹，一般在室外放置一周左右，在放入窑中进行烟熏预干燥，大约要1周，而自然冷却至窑口温度50～60℃时也需要一周，出窑一般也要2天。所以从装窑到出炭一般要25～30天，竹炭得率一般为20％左右。工艺合理，后期氧化燃烧的量少则得率超过20％，否则会低于20％，甚至更低(因空气漏入或空气量进入过大)。土窑造价便宜，精炼温度高，竹炭密度大，但质量稳定性差，得率不高。浙江省遂昌、衢州等竹炭厂家都采用这种土窑烧制竹炭。

竹炭的主要物理化学性质有片炭含水率5％～8％，颗粒炭含水率14％～18％，固定碳含量85％～88％，灰分含量2％～4％，比表面积300～600m²/g(平方米/克)，挥发分6％～8％，干碳热值30000～33000kJ/kg(千焦/千克)，pH值8～9；气干密度0.800～1.320g/cm³。竹炭粉的粒径为1.25～13微米，去除效果更好。竹炭粉对饮水中的硝酸盐有较好的吸附作用，去除率在54％以上。

氧化镁俗称苦土或者灯粉，英文名称为Magnesium oxide，分子式为MgO，分子量为40.30，氧化镁为白色轻质粉末，无臭、无味，不溶于水和乙醇，氧化镁有高度耐火绝缘性能。氧化镁是一种碱性氧化物，具有碱性氧化物的通性，暴露在空气中，容易吸收水分和二氧化碳，能够溶于酸和铵盐，不溶于水，具体反应式为：

MgO+2HCl＝MgCl₂+H₂O

MgO+2NH₄Cl＝MgCl₂+2NH₃+H₂O。

与水缓慢反应生成氢氧化镁，反应式为：

MgO+H₂O＝Mg(OH)₂。

氧化镁的粒径优选为21～178微米。由于氧化镁粉的比表面积大，所以吸附硝酸盐的能力强。

与水反应生成的氢氧化镁是一种弱碱性物质，是一种环境友好型水处理剂，具有活性大、吸附能力强、无腐蚀性、易控制pH值、安全、无害等优点，符合绿色化学和绿色工艺的原则，在世界范围内得到了大量应用。

发孔剂选择偶氮二甲酰胺、食品级碳酸氢铵、草酸中的至少一种。作为优选，发孔剂为偶氮二甲酰胺或食品级碳酸氢铵。其中，食品级碳酸氢铵也称食用级碳酸氢铵，与工业级碳酸氢铵相区别。虽然工业级碳酸氢铵也有发孔的作用，但是它可能会含有对健康有害的杂质，不宜用作饮用水过滤介质的生产原料。发孔剂是一类易分解产生大量气体而引起发孔作用的物质，其中偶氮类化合物、碳酸氢钠、碳酸氢铵、碳酸铵、磺酰腈类化合物、草酸等是其典型的代表。

压制压力可以选择为0.4～1.0MPa，烧结温度为：210～240℃，烧结时间为10～200分钟，冷却至70℃以下可以脱模。

虽然本发明对于上述制备方法中步骤a)中所用的几种原料进行了较为详尽的描述，但是本发明不局限于此种理论。对于在制备过程中它们之间的具体的化学变化、结构的变化尚不能确定。此几种原料经过上述的工艺处理制备出的过滤介质，可以有效去除水中的硝酸盐，并且有协同作用，可以将水中的硝酸盐充分吸收。

在本发明中，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，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预先设计好的模具中，通过加压将其压实，压力一般不大于1MPa，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和温度的材料制造。可以在模具内表面涂敷脱模剂，可选用硅氧烷油或任何其他的几乎不会吸附到过滤介质上的市售脱模剂，也可以使用铝箔等脱模纸。

本发明还提供了以下技术方案：一种使用了上述过滤介质的滤芯。

本发明还提供了以下技术方案：一种净水装置，包括上述的过滤介质或者滤芯。

本发明还提供了一种包括上述净水装置的饮水机。

相对于现有技术，本发明的优点在于所提出的技术方案能够去除水中的硝酸盐，去除率达到90％以上，从而达到改善水质的目的，并且方法简单，成本低，见效快。

具体实施方式

为能进一步理解本发明，下面结合实施例对上述的技术方案做进一步的阐述和说明。

实施例1

(1)称取超高分子量聚乙烯粉100g，所述超高分子量聚乙烯为北京东方石油化工有限公司助剂二厂的M-III型产品，其分子量为350万；

(2)称取医用活性炭粉200g，所述医用活性炭的粒径为38～250微米；

(3)称取竹炭粉160g，所述竹炭粉的粒径为1.25～13微米；

(4)称取氧化镁10g，所述氧化镁的粒径为21～74微米；

(5)称取食品级碳酸氢铵60g，纯度达到99.99％以上；

(6)将上述五种粉末放入机械搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；

(7)装填入直径为50mm管状模具中，在0.7MPa的液压压力下压制，在230℃温度下烧结180分钟；

(8)自然冷却至50℃然后脱模，即得多微细孔的管状滤芯。

实施例2

(1)称取超高分子量聚乙烯粉300g，所述超高分子量聚乙烯为北京东方石油化工有限公司助剂二厂的M-II型产品，其分子量为250万；

(2)称取医用活性炭粉100g，所述医用活性炭的粒径为38～250微米；

(3)称取竹炭粉130g，所述竹炭粉的粒径为1.25～13微米；

(4)称取氧化镁50g，所述氧化镁的粒径为74～178微米；

(5)称取食品级碳酸氢铵80g，纯度达到99.99％以上；

其余步骤和实施例1相同。

实施例3

(1)称取超高分子量聚乙烯粉160g，所述超高分子量聚乙烯为北京东方石油化工有限公司助剂二厂的M-II型产品，其分子量为250万；

(2)称取医用活性炭粉120g，所述医用活性炭的粒径为38～250微米；

(3)称取竹炭粉200g，所述竹炭粉的粒径为1.25～13微米；

(4)称取氧化镁30g，所述氧化镁的粒径为21～178微米；

(5)称取食品级碳酸氢铵90g，纯度达到99.99％以上；

其余步骤和实施例1相同。

实施例4

(1)称取超高分子量聚乙烯粉220g，所述超高分子量聚乙烯为北京东方石油化工有限公司助剂二厂的M-I型产品，其分子量为150万；

(2)称取医用活性炭粉180g，所述医用活性炭的粒径为38～250微米；

(3)称取竹炭粉100g，所述竹炭粉的粒径为1.25～13微米；

(4)称取氧化镁40g，所述氧化镁的粒径为21～74微米；

(5)称取草酸70克，其纯度达到分析纯；

其余步骤和实施例1相同。

实施例5

取实施例1～4所得多微细孔的管状滤芯1，2，3，4，内衬两层无纺布，外包两层无纺布，再在外层裹上聚丙烯多孔网，滤芯两端粘接上连接端盖，放置于不锈钢或塑料壳体内，用于处理饮用水，经检测，该结构滤芯对饮用水中的硝酸盐的去除效果好，如表1所示。非常适合家庭终端饮用水处理的需要。

表1 使用滤芯处理前后的水  单位：mg/L

从表1可以看出，利用本发明的滤芯进行去除水中的硝酸盐取得了很好的效果。

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。本说明书中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。因此，本说明书记载的内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1、一种用于去除水中硝酸盐的过滤介质的制备方法，包括如下步骤：

a)将包含超高分子量聚乙烯、活性炭、竹炭粉、氧化镁和发孔剂的原料混合，超高分子量聚乙烯、活性炭、竹炭粉、氧化镁和发孔剂的重量比为：100～300∶100～200∶100～200∶10～50∶50～100；

b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制，烧结，冷却。

2、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，超高分子量聚乙烯的分子量为250～400万。

3、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，活性炭为医用活性炭，其粒径为38～250微米。

4、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，竹炭粉的粒径为1.25～13微米。

5、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，氧化镁的粒径为21～178微米。

6、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，发孔剂为偶氮二甲酰胺、食品级碳酸氢铵、草酸中的至少一种。

7、根据权利要求1～6中任一项所述的制备方法得到的过滤介质。

8、使用权利要求7所述过滤介质的滤芯。

9、一种净水装置，包括使用权利要求7所述的过滤介质或者权利要求8所述的滤芯。

10、一种饮水机，包括权利要求9所述的净水装置。