CN102294147B - 用于去除饮用水中丙烯酰胺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丙烯酰胺的过滤介质及其制备方法，还涉及由该过滤介质构成的滤芯、净水装置和饮水机。过滤介质的制备包括：a)将包含超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、微米分子筛粉、纳米分子筛粉和发孔剂的原料混合，所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、微米分子筛粉、纳米分子筛粉和发孔剂的重量比为：200～400∶20～150∶40～200∶40～200∶60～150；b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制，烧结，冷却。本发明提供的过滤介质对水中丙烯酰胺的去除率高，使用简单，成本低，无需后续处理，能免除丙烯酰胺对人体产生的伤害，适合家庭终端饮水处理，对饮用水中丙烯酰胺的去除率为98％以上。

Description

用于去除饮用水中丙烯酰胺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丙烯酰胺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

丙烯酰胺是生产聚丙烯酰胺的原料，饮用水中的丙烯酰胺主要来自工业废水排放和使用含丙烯酰胺单体的絮凝剂聚丙烯酰胺。聚丙烯酰胺主要是作为絮凝剂应用于饮用水、中水和污水的絮凝沉淀处理。聚丙烯酰胺是丙烯酰胺及其衍生物的均聚物与共聚物的统称，工业上是含有50％以上丙烯酰胺单体的聚合物都泛称为聚丙烯酰胺，也称为土质稳定剂、土壤改良剂，用于纤维的改性和树脂的加工，还用作纸力增强剂、粘合剂、涂料等，用途广泛。

丙烯酰胺易溶于水，30℃时在水中溶解量约为2150g/L，它是国际癌症研究机构(IARC)认定的2B类致癌物。2005年世界卫生组织(WHO)和联合国粮农组织(FAO)强调丙烯酰胺对神经系统有明显伤害作用，是有蓄积性的神经毒物，会使胰反射减弱或消失，运动障碍肌肉萎缩，中枢神经系统受伤害，步行异常和障碍，全身性震颤、嗜睡；末梢神经受伤害，会出现麻木感，肌肉痛、手足无力，言语障碍、反射低下、尿失禁、位置觉和振动感异常、视野狭窄、失眠恶心、腹痛等；还对生殖系统有毒害作用，是内分泌干扰物。

世界卫生组织(WHO)、美国环保局(USEPA)、欧盟(EU)和我国对其饮水中的限值都有明确规定，WHO和我国的(GB5749-2006)规定为0.5μg/L，欧盟为0.1μg/L，美国规定水中丙烯酰胺单体含量不得超过0.05％。

一般常规处理工艺对丙烯酰胺的去除率很低；氧化法结构复杂，需要多级处理；生物法处理时间很长；膜法耗电费水，且操作麻烦，成本较高。

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丙烯酰胺的去除率高，速度快，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丙烯酰胺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粉、活性炭粉、微米分子筛粉、纳米分子筛粉和发孔剂的原料混合，所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、微米分子筛粉、纳米分子筛粉和发孔剂的重量比为：200～400∶20～150∶40～200∶40～200∶60～150；

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，所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、微米分子筛粉、纳米分子筛粉和发孔剂的重量比为：300～310∶50～60∶70～80∶70～80∶90～100。

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。

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，优选的粒径为89μm～124μm。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，可以起到吸附水中丙烯酰胺的作用。

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74μm～89μm的医用活性炭。

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”。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，分子筛用后可以再生，且热稳定性强。

微米分子筛的粒径为微米级别，具有较大的比表面积和较高的表面能，吸附性能比常规的分子筛强。纳米分子筛也叫超细分子筛，通常粒径小于几百纳米，粒径远小于常规分子筛，并且孔道短，分子在其中的扩散速度快，晶内扩散阻力小，抗积碳能力强；在外部暴露的晶胞数比常规分子筛更多，致使纳米分子筛具有更多的进出孔口；具有更大的外表面积，孔容积和孔隙率都较大，表面能高，外表面的性质活泼，吸附能力强，具有更大的优越性。而微米分子筛的热稳定性比纳米分子筛强，因此本发明将微米分子筛和纳米分子筛结合使用作为过滤介质对水中的丙烯酰胺、聚丙烯酰胺大分子有很好的吸附效果。作为优选，微米分子筛粉的孔径为1μm～5μm，纳米分子筛粉的孔径为0.5nm～5nm。

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，水中的丙烯酰胺可以被充分吸附。

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丙烯酰胺的滤芯。

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饮用水中丙烯酰胺的去除率高，去除速度快，使用简单，成本低，能免除丙烯酰胺对人体产生的伤害，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丙烯酰胺的去除率为98％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-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74μm～89μm；

(3)称取微米分子筛粉60g，为大连理工绿源环保产业有限公司的微米ZSM-5沸石分子筛，孔径1μm～3μm；

(4)称取纳米分子筛粉80g，为大连理工绿源环保产业有限公司的纳米ZSM-5分子筛，平均孔径2nm；

(5)称取食品级碳酸氢铵80克，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250℃温度下烧结140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；

(2)称取医用活性炭粉50g，所述医用活性炭的粒径为74μm～89μm；

(3)称取微米分子筛粉75g，为大连理工绿源环保产业有限公司的微米ZSM-5沸石分子筛，孔径1μm～2μm；

(4)称取纳米分子筛粉80g，为天津凯美思特科技发展有限公司的MCM-41分子筛，平均孔径3nm；

(5)称取食品级碳酸氢铵95克，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200℃温度下烧结130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)称取超高分子量聚乙烯粉310g，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70g，所述医用活性炭的粒径为74μm～89μμm；

(3)称取微米分子筛粉100g，为大连理工绿源环保产业有限公司的微米ZSM-5沸石分子筛，孔径1μm～3μm；

(4)称取纳米分子筛粉120g，为天津凯美思特科技发展有限公司的MCM-41分子筛，平均孔径3nm；

(5)称取偶氮二甲酰胺120克，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220℃温度下烧结130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)称取超高分子量聚乙烯粉380g，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120g，所述医用活性炭的粒径为74～89微米；

(3)称取微米分子筛粉150g，为大连理工绿源环保产业有限公司的微米ZSM-5沸石分子筛，孔径1μm～3μm；

(4)称取纳米分子筛粉150g，为大连理工绿源环保产业有限公司的纳米ZSM-5分子筛，平均孔径2nm；

(5)称取草酸150克，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0.5MPa的液压压力下压制，在300℃温度下烧结120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丙烯酰胺的去除效果好。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丙烯酰胺的含量。

表1使用滤芯处理前后水中的丙烯酰胺含量，单位：μg/L

从表1可以看出，利用本发明的滤芯去除水中的丙烯酰胺取得了很好的效果，去除率在90％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丙烯酰胺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 (6)

1.一种用于去除饮用水中丙烯酰胺的过滤介质的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

a）将包含超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、微米分子筛粉、纳米分子筛粉和发孔剂的原料混合，所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、微米分子筛粉、纳米分子筛粉和发孔剂的重量比为：300～310：50～60：70～80：70～80：90～100；

所述超高分子量聚乙烯粉的粒径为89μm～124μm；

所述微米分子筛粉的孔径为1μm～5μm；

所述纳米分子筛粉的孔径为0.5nm～5nm；

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，所述活性炭粉为粒径74μm～89μm的医用活性炭粉。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的制备方法得到的用于去除饮用水中丙烯酰胺的过滤介质。

4.一种滤芯，其特征在于，由权利要求3所述的过滤介质构成。

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

6.一种饮水机，其特征在于，包括权利要求5所述的净水装置。