CN101844008B - 一种过滤介质及其制备方法、滤芯和净水装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于去除水中四氯乙烯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、水滑石粉和发孔剂的原料混合，超高分子量聚乙烯、活性炭、水滑石粉和发孔剂的重量比为：200～300∶50～150∶50～150∶50～120；b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制，烧结，冷却。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四氯乙烯，去除率可以达到95～99％，从而达到改善水质的目的，并且由于所用的原料来源广，所以过滤介质的制备成本会很低。本发明所提供的技术方案，特别适用于处理四氯乙烯含量高的水。
Description
技术领域
本发明涉及一种去除水中四氯乙烯的过滤介质及其制备方法、使用该过滤介质的滤芯和净水装置。
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。
四氯乙烯就是其中一种对人体有害的物质，四氯乙烯亦称全氯乙烯，结构式为Cl2C＝CCl2，是一种无色带香味的液体。四氯乙烯微溶于水，具有较强的溶解能力，是一种优良的有机溶剂，主要作为织物的干洗剂、金属的脱脂洗涤剂、脱漆剂、溶剂、驱虫剂、干燥剂等。另外，四氯乙烯还是一种常用的有机合成中间体，例如可以作为聚四氯乙烯的聚合单体使用等。四氯乙烯是有毒性的，虽然毒性比三氯乙烯要小，但是它对人体的中枢神经、肺、皮肤、消化系统、肝脏和肾脏等都能够造成伤害，已经被列入美国国家环保局1976年公布的129种优先控制污染物的黑名单，也被我国列入水中优先控制污染物的黑名单，公认为是一种动物致癌剂。
据中新网报道，美国纽约市饮用水中发现致癌物四氯乙烯，此事件引起了市民恐慌。因为在105个饮水样中，有50个验出四氯乙烯；而在这50个验出的四氯乙烯水样中，有20个的四氯乙烯含量偏高，超出了安全标准上限值的一倍以上，因此，许多居民纷纷改用瓶装水做饭和引用，更有甚之，有些居民竟然因此而减少洗澡淋浴的时间。
针对四氯乙烯的污染问题，提出了很多的解决办法，包括颗粒活性炭吸附法、臭氧氧化法、生物降解法、光催化氧化法、化学还原法等。下面分别叙述各种解决办法存在的问题。
颗粒活性炭吸附法主要的问题是吸附率不高。臭氧氧化法对地下水和地表水中四氯乙烯的氧化能力小，另外还受限于臭氧在水中的溶解度小，稳定性低。虽然臭氧氧化法可以和双氧水结合使用去氧化四氯乙烯，但是主要的还是双氧水在起作用。生物降解法是一种较为环保的去除四氯乙烯的方法，但是需要培养驯化微生物，并且对水的温度、氧气浓度等要求较高，是一种成本很高的处理方法。光催化氧化法也是一种较为环保的去除四氯乙烯的方法，但是其处理条件比光催化氧化法更为苛刻。化学还原法的去除四氯乙烯的效果不错，但是需要用到贵金属钯，金属钯是比较稀少的金属，所以成本较高。
颗粒活性炭吸附法是这些方法中成本较低的方法，本发明欲解决其吸附率不高的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于去除水中四氯乙烯的过滤介质，该过滤介质用于去除水中四氯乙烯时，去除率高。
为了解决以上的技术问题，本发明采用以下的技术方案：
一种用于去除水中四氯乙烯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、水滑石粉和发孔剂的原料混合，超高分子量聚乙烯、活性炭、水滑石粉和发孔剂的重量比为：200～300∶50～150∶50～150∶50～120；
b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制，烧结，冷却。
优选地，所述超高分子量聚乙烯、活性炭、水滑石粉和发孔剂的重量比为：290～300∶110～120∶100～110∶90～100。发明人意外地发现，所述超高分子量聚乙烯、活性炭、水滑石粉和发孔剂的重量比为在这个范围内时，制备的过滤介质对四氯乙烯的去除率有明显的提高。
所述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，可以起到吸附水中四氯乙烯的作用。另外，超高分子量聚乙烯的粒径优选使用104～124微米，这样可以提高制备的过滤介质的去除四氯乙烯的效果。
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。另外，采用粒径为74～89微米的医用活性炭，效果会更佳。
水滑石属于阴离子型层状化合物。层状化合物是指具有层状结构、层间离子具有可交换性的一类化合物，利用层状化合物主体在强极性分子作用下所具有的可插层性和层间离子的可交换性，将一些功能性客体物质引入层间空隙并将层板距离撑开从而形成层柱化合物。水滑石类化合物是一类具有层状结构的无机功能材料，水滑石粉的主体层板化学组成与其层板阳离子特性、层板电荷密度或者阴离子交换量、超分子插层结构等因素密切相关。一般来讲，只要金属阳离子具有适宜的离子半径和电荷数，均可形成水滑石类层状化合物，适宜的离子半径指的是与Mg2+的离子半径0.072纳米相差不大。水滑石粉的这种结构对于去除水中的水滑石粉非常有利。
水滑石粉优选使用烧过的水滑石粉，一般可以在300～600℃下焙烧1～3小时。烧过的水滑石粉在重新吸附水中的阴离子之后，水滑石中的一些部位能够恢复为层状结构，这独特的结构记忆效应使得水滑石具有吸附交换容量大的优点。水滑石粉的粒径优选74～89微米。
水滑石粉的层状结构和活性炭的多孔道结构搭配可以形成两种不同吸附形式的结合，从而有效去除水中四氯乙烯。
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：220～300℃，烧结时间为120～150分钟，冷却至40～60℃即可以脱模。
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或者另外的任何理论。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四氯乙烯，并且具有协同作用。
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四氯乙烯，去除率可以达到95～99％，从而达到改善水质的目的，并且由于所用的原料来源广，所以过滤介质的制备成本会很低。
本发明所提供的技术方案，特别适用于处理四氯乙烯含量高的水。
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200g，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，粒径为104～124微米，利用120目和140目的筛子进行筛选即可以得到104～124微米的超高分子量聚乙烯粉；
(2)称取医用活性炭粉150g，所述医用活性炭的粒径为74～89微米，利用170目和200目的筛子进行筛选即可以得到74～89微米的医用活性炭粉；
(3)称取水滑石粉50g，所述水滑石粉经过焙烧处理，具体的焙烧工艺为：在500℃下焙烧2小时，水滑石粉的粒径为74～89微米；利用170目和200目的筛子进行筛选即可以得到74～89微米的水滑石粉；
(4)称取食品级碳酸氢铵50g，纯度达到99.99％以上；
(5)将上述四种粉末放入机械搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；
(6)装填入直径为50mm管状模具中，在0.7MPa的液压压力下压制，在280℃温度下烧结150分钟；
(7)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，粒径为104～124微米，利用120目和140目的筛子进行筛选即可以得到104～124微米的超高分子量聚乙烯粉；
(2)称取医用活性炭粉50g，所述医用活性炭的粒径为74～89微米，利用170目和200目的筛子进行筛选即可以得到74～89微米的医用活性炭粉；
(3)称取水滑石粉150g，所述水滑石粉经过焙烧处理，具体的焙烧工艺为：在500℃下焙烧2小时，水滑石粉的粒径为74～150微米；利用100目和200目的筛子进行筛选即可以得到74～150微米的水滑石粉；
(4)称取食品级碳酸氢铵120g，纯度达到99.99％以上；
(5)将上述四种粉末放入机械搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；
(6)装填入直径为50mm管状模具中，在0.7MPa的液压压力下压制，在220℃温度下烧结120分钟；
(7)自然冷却至50℃然后脱模，即得多微细孔的管状滤芯。
实施例3
(1)称取超高分子量聚乙烯粉290g，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，粒径为124～150微米，利用100目和120目的筛子进行筛选即可以得到124～150微米的超高分子量聚乙烯粉；
(2)称取医用活性炭粉120g，所述医用活性炭的粒径为74～89微米，利用170目和200目的筛子进行筛选即可以得到74～89微米的医用活性炭粉；
(3)称取水滑石粉100g，所述水滑石粉经过焙烧处理，具体的焙烧工艺为：在550℃下焙烧1.5小时，水滑石粉的粒径为74～89微米；利用170目和200目的筛子进行筛选即可以得到74～89微米的水滑石粉；
(4)称取食品级碳酸铵100g，纯度达到99.99％以上；
(5)将上述四种粉末放入机械搅拌器中搅拌8分钟混合均匀；
(6)装填入直径为50mm管状模具中，在0.6MPa的液压压力下压制，在280℃温度下烧结150分钟；
(7)自然冷却至50℃然后脱模，即得多微细孔的管状滤芯。
实施例4
(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-III型产品，其分子量为350万，粒径为124～150微米，利用100目和120目的筛子进行筛选即可以得到124～150微米的超高分子量聚乙烯粉；
(2)称取医用活性炭粉110g，所述医用活性炭的粒径为74～89微米，利用170目和200目的筛子进行筛选即可以得到74～89微米的医用活性炭粉；
(3)称取水滑石粉110g，所述水滑石粉经过焙烧处理，具体的焙烧工艺为：在550℃下焙烧1.5小时，水滑石粉的粒径为74～89微米；利用170目和200目的筛子进行筛选即可以得到74～89微米的水滑石粉；
(4)称取食品级碳酸铵90g，纯度达到99.99％以上；
(5)将上述四种粉末放入机械搅拌器中搅拌8分钟混合均匀；
(6)装填入直径为50mm管状模具中，在0.6MPa的液压压力下压制，在280℃温度下烧结150分钟；
(7)自然冷却至50℃然后脱模，即得多微细孔的管状滤芯。
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四氯乙烯的去除效果好，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四氯乙烯取得了很好的效果。
另外对处理前后的水也进行了其他项目的测试，测试结果如表2所示。
表2使用滤芯处理前后的水
从表2可以看出，利用本发明的滤芯在去除四氯乙烯的同时，对浑浊物和色度的也有很好的去除效果。
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四氯乙烯，去除率可以达到95～99％，从而达到改善水质的目的，并且由于所用的原料来源广，所以过滤介质的制备成本会很低。
本发明所提供的技术方案，特别适用于处理四氯乙烯含量高的水。
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 (8)
1.一种用于去除水中四氯乙烯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、水滑石粉和发孔剂的原料混合，超高分子量聚乙烯、活性炭、水滑石粉和发孔剂的重量比为：200～300∶50～150∶50～150∶50～120，所述超高分子量聚乙烯的分子量为250～400万，所述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；
b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制，烧结，冷却，所述压制压力为0.4～1.0MPa，所述烧结温度为220～300℃，所述烧结时间为120～150分钟，冷却至40～60℃脱模。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯、活性炭、水滑石粉和发孔剂的重量比为：290～300∶110～120∶100～110∶90～100。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯的粒径为104～124微米。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述活性炭为医用活性炭，其粒径为74～89微米。
5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述水滑石粉的粒径为74～89微米。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的制备方法得到的过滤介质。
7.使用权利要求6所述过滤介质的滤芯。
8.一种净水装置，包括使用权利要求6所述的过滤介质或权利要求7所述的滤芯。
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