CN102233260B - 用于去除饮用水中咖啡因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饮用水中咖啡因的过滤介质的制备方法，包括如下步骤：a)将包含木质活性炭粉、超高分子量聚乙烯粉、中孔分子筛粉、5A分子筛粉和发孔剂的原料混合，所述木质活性炭粉、超高分子量聚乙烯粉、中孔分子筛粉、5A分子筛粉和发孔剂的重量比为：80～250∶200～400∶100～350∶100～350∶50～150；b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制，烧结，冷却。制备的过滤介质对水中咖啡因的去除率高，适用于受其污染的饮用水，免除咖啡因对人体产生的伤害，使用简便，成本低，适合家庭终端饮水处理。经检测该过滤介质对饮用水中咖啡因的去除率为95％以上。

Description

用于去除饮用水中咖啡因的过滤介质及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种去除饮用水中咖啡因的过滤介质及其制备方法，由该过滤介质构成的滤芯、净水装置和饮水机。

背景技术

咖啡因是一种中枢神经兴奋剂，有咖啡因成分的咖啡、茶等饮料十分畅销，是世界上最普遍被使用的精神药品。

咖啡因一般对成年人的毒性不大，婴幼儿则比较敏感。有关专家曾用小鼠、大鼠研究了咖啡因的致畸形作用，发现咖啡因会诱发子代脑积水、骨骼发育不良、趾骨骨骼畸形、心脏异位、腭裂，使子代死亡率高等。

咖啡因对人体的诱变表明：咖啡因对精子畸变率、断裂数均明显增加；还会增强拟放射线致断剂对精子染色体畸变的作用。长期使用或摄入过量的咖啡，会产生生殖毒性，如：流产、死胎、无脑儿、低体重儿、唇腭裂、发育迟缓、神经缺陷、行为缺陷等；还容易导致幻听、幻视、幻觉，血压明显上升；使人心跳不规则、胃肠紊乱、发抖、焦虑不安、易怒、易冲动、失去专注力以及失眠；还有类似阿尔茨海默氏症对大脑造成的损伤，咖啡因对大脑的伤害同大麻或可卡因等毒品的伤害一样惊人。

欧美多国的调查显示，河湖水中普遍包含非处方类药物咖啡因，几乎所有取水样中均可检出，一些城市的郊区居民饮用水中的咖啡因浓度更高。

一般常规的水处理工艺难以去除咖啡这种低分子量、亲水性极强、不易挥发的物质；高级氧化技术应用比较麻烦，成本高；纳滤膜与RO反渗透膜、电渗析膜法水处理费水费电，成本高，设备复杂，浓缩液不易处理，会导致二次污染。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种过滤介质及其制备方法，该过滤介质对饮用水中的咖啡因的去除率高，还提供了由这种过滤介质构成的滤芯、净水装置以及饮水机。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于去除饮用水中咖啡因的过滤介质的制备方法，包括如下步骤：

a)将包含木质活性炭粉、超高分子量聚乙烯粉、中孔分子筛粉、5A分子筛粉和发孔剂的原料混合，所述木质活性炭粉、超高分子量聚乙烯粉、中孔分子筛粉、5A分子筛粉和发孔剂的重量比为：80～250∶200～400∶100～350∶100～350∶50～150；

b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制，烧结，冷却。。

作为优选，所述木质活性炭粉、超高分子量聚乙烯粉、中孔分子筛粉、5A分子筛粉和发孔剂的重量比为：100～200∶250～350∶120～300∶120～300∶80～120。

压制压力为0.4MPa～1.0MPa，烧结温度为200℃～300℃，烧结时间为120分钟～150分钟，烧结后冷却至40℃～60℃脱模。在此制作过程中，在发明人很多次的试验之后，得出在烧结温度范围在200℃～300℃内制作出的过滤介质，过滤效果更好。

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。优选活性炭的比表面积不低于1100平方米/克。本发明使用木质活性炭，木质活性炭较煤质类活性炭比重小，具有更多的中孔。

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，本发明的木质活性炭粉为粒径为74μm～89μm的木质医用活性炭粉，具有很快的吸收速度和很大的吸附容量，能够吸附去除水中的咖啡因。

所述超高分子量聚乙烯为重均分子量大于100万的聚乙烯，优选的粒径为89μm～104μm。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型(分子量为150±50万)、M-II型(分子量为250±50万)、M-III型(分子量为350±50万)、M-IV型(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，因为超高分子量聚乙烯的分子量大，熔融粘度非常高，熔融以后不能流动，所以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，可以起到吸附水中溴酸盐的作用。

分子筛是一种结晶型的铝硅酸盐，具有晶体的结构和特征，表面为固体骨架，内部的孔穴可起到吸附分子的作用。孔穴之间有孔道相互连接，分子由孔道经过。由于孔穴的结晶性质，分子筛的孔径分布非常均一。分子筛依据其晶体内部孔穴的大小对分子进行选择性吸附，也就是吸附一定大小的分子而排斥较大物质的分子，因而被形象地称为″分子筛″。沸石分子筛在化学工业中作为固体吸附剂，可用于气体和液体的干燥、纯化、分离和回收，被其吸附的物质可以解吸，沸石分子筛用后可以再生。

孔径介于2nm～50nm的分子筛称为中孔分子筛，孔径介于微孔与大孔之间，具有巨大表面积和三维孔道结构，孔道结构高度有序，孔径单一分布，孔径尺寸可在较宽范围内变化，具有优异的吸附性能和较高的热稳定性，在催化、吸附、分离等领域有广泛的应用价值。本发明的中孔分子筛粉的孔径优选为2nm～10nm。

5A分子筛也叫钙A型分子筛，孔径一般为能吸附小于该孔径的任何分子，选择吸附性高，吸附速度快。本发明将中孔分子筛与5A分子筛结合使用，用于饮用水中咖啡因的吸附去除，取得了很好的效果。

本发明所述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。作为优选，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。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。

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，在这几种原料的协同加合作用下，水中的咖啡因可以被充分吸附。

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2MPa，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，也可以使用脱模纸。

本发明还提供了以下技术方案：一种由上述过滤介质构成的去除饮用水中咖啡因的滤芯。

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，本发明的优点在于制备的过滤介质对水中咖啡因的去除率高，适用于受其污染的饮用水，免除咖啡因对人体产生的伤害，使用简便，成本低，另外由于使用的是滤芯，不是粉体，所以无需后续处理，适合家庭终端饮水处理。经检测该过滤介质对饮用水中咖啡因的去除率为95％以上。

具体实施方式

为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

实施例1：

(1)称取木质医用活性炭粉100g，粒径为74μm～89μm；

(2)称取超高分子量聚乙烯粉350g，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；

(3)称取MCM-41中孔分子筛粉120g，平均孔径3nm；

(4)称取5A分子筛粉200g；

(5)称取食品级碳酸氢铵100g，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)将混合后的粉末装填入管状模具中，在0.8MPa的液压压力下压制，在240℃温度下烧结130分钟；

(8)自然冷却至50℃然后脱模，即得多微细孔的管状滤芯。

制备的滤芯的直径为50mm，长度为200mm。

实施例2：

(1)称取木质医用活性炭粉150g，粒径为74μm～89μm；

(2)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；

(3)称取SBA-15中孔分子筛粉200g，平均孔径8nm；

(4)称取5A分子筛粉150g；

(5)称取偶氮二甲酰胺80g，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)将混合后的粉末装填入管状模具中，在0.6MPa的液压压力下压制，在270℃温度下烧结120分钟；

(8)自然冷却至60℃然后脱模，即得多微细孔的管状滤芯。

制备的滤芯的直径为50mm，长度为200mm。

实施例3：

(1)称取木质医用活性炭粉200g，粒径为74μm～89μm；

(2)称取超高分子量聚乙烯粉250g，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；

(3)称取MCM-48中孔分子筛粉100g，平均孔径2nm；

(4)称取5A分子筛粉100g；

(5)称取食品级碳酸氢铵110g，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)将混合后的粉末装填入管状模具中，在0.9MPa的液压压力下压制，在210℃温度下烧结140分钟；

(8)自然冷却至40℃然后脱模，即得多微细孔的管状滤芯。

制备的滤芯的直径为50mm，长度为200mm。

实施例4：

(1)称取木质医用活性炭粉250g，粒径为74μm～89μm；

(2)称取超高分子量聚乙烯粉400g，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；

(3)称取MCM-41中孔分子筛粉250g，平均孔径3nm；

(4)称取5A分子筛粉300g；

(5)称取草酸150g，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)将混合后的粉末装填入管状模具中，在0.7MPa的液压压力下压制，在280℃温度下烧结120分钟；

(8)自然冷却至50℃然后脱模，即得多微细孔的管状滤芯。

制备的滤芯的直径为50mm，长度为200mm。

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咖啡因的去除效果好。如表1所示，为采用实施例1～4提供的滤芯对饮用水处理前后的咖啡因的含量。

表1使用滤芯处理前后水中的咖啡因含量，单位：mg/L

从表1可以看出，利用本发明的滤芯去除水中的咖啡因取得了很好的效果，去除率在95％以上，该滤芯非常适合家庭终端饮用水处理的需要。

以上对本发明所提供的用于去除饮用水中咖啡因的过滤介质及其制备方法以及由该过滤介质构成的滤芯进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于去除饮用水中咖啡因的过滤介质的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

a）将包含木质活性炭粉、超高分子量聚乙烯粉、中孔分子筛粉、5A分子筛粉和发孔剂的原料混合，所述木质活性炭粉、超高分子量聚乙烯粉、中孔分子筛粉、5A分子筛粉和发孔剂的重量比为：100～200：250～350：120～300：120～300：80～120；

所述木质活性炭粉为粒径为74μm～89μm的木质医用活性炭粉；

所述超高分子量聚乙烯粉的粒径为89μm～104μm，所述超高分子量聚乙烯粉为重均分子量大于100万的聚乙烯；

所述中孔分子筛粉的孔径为2nm～10nm；

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。

2.根据权利要求1所述的制备方法得到的用于去除饮用水中咖啡因的过滤介质。

3.一种滤芯，其特征在于，由权利要求2所述的过滤介质构成。

4.一种净水装置，其特征在于，包括权利要求2所述的过滤介质或者权利要求3所述的滤芯。

5.一种饮水机，其特征在于，包括权利要求4所述的净水装置。