CN102423572A - 用于去除饮用水中铀的过滤介质及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于去除饮用水中铀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、焦炭粉、蒙脱石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、焦炭粉、蒙脱石粉和发孔剂的重量比为：100～350∶80～250∶100～300∶80～250∶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铀的去除率高，适用于受其污染的饮用水，免除铀对人体产生的伤害，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铀的去除率为95％以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种去除饮用水中放射性元素铀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
战争、核试验、核企业排放的放射性废水及冲刷放射性污染物的地面径流，会造成附近水域的放射性污染，对人体和环境造成重大的危害。放射性核素可被生物富集，使某些动物、植物，特别是一些水生生物体内放射性核素的浓度比环境中的增高许多倍。环境中的放射性核素还会通过多种途径进入人体，使人受到放射性伤害，如头痛、头晕、食欲下降、睡眠障碍、出现肿瘤、白血病、遗传障碍等。
1998年，世界卫生组织(WHO)调查发现，海湾战争中美国对伊拉克使用贫铀弹轰炸，贫化铀严重损害人体健康，使区域内白血病患者人数剧增，孕妇流产率比1989年增加3倍，肿瘤发病率增加7倍，肺癌死亡的人增加5倍。2003年美国再次对伊拉克使用含铀的武器，致使伊拉克的死胎、畸形儿和患癌症者越来越多。
铀在地表水源中的限制浓度为0.05mg/L，而我国一些矿区，如有色金属矿、铀矿山的采矿、冶炼、加工等区域，废水排放中铀含量高于一般普通河流一千多倍。还有一些天然的放射性物质也会引发水体污染，导致水库水、地表水和地下水中放射性指标严重超标。
常规的水处理工艺对放射性核素的处理效果不好；离子交换方法繁琐，置换饱和后的冲洗水难以处理；反渗透法使用麻烦，费水费电，成本高，排放的浓缩液不易处理，易造成二次污染。
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铀的去除率高，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铀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、焦炭粉、蒙脱石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、焦炭粉、蒙脱石粉和发孔剂的重量比为：100～350∶80～250∶100～300∶80～250∶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，所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、焦炭粉、蒙脱石粉和发孔剂的重量比为：150～300∶100～200∶150～250∶100～200∶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～104μm的医用活性炭。
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～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，可以起到吸附水中铀的作用。
焦炭是较重要的工业原料，焦炭的应用行业通常要求焦炭中的粉末含量不能大于一定值，焦化厂在焦炭出厂前，要对焦炭进行筛分。在筛分的过程中产生大量的焦炭粉，由于焦炭粉的应用价值低，几乎成为废弃物。但是焦炭粉具有良好的吸附性，可以作为过滤材料用于废水处理，变废为宝。本发明将焦炭粉与其它过滤介质配合使用吸附水中的放射性核素铀，对饮用水进行深度处理。优选使用粒径在0.2mm以下的焦炭粉。
蒙脱石是由颗粒极细的含水铝硅酸盐构成的矿物，用途很多，结构呈现层片状结晶体，具有良好的吸附作用和净化作用，属于层片状表面吸附，不同于活性炭的孔状吸附。优选使用经酸活化的蒙脱石粉，活化处理后，除去矿物中所含的杂质，其层片状结构由原先的紧密叠加变成为松散叠加，具有更大的吸附表面，吸附能力得以加强。酸活化方法为：将蒙脱石粉碎，用浓度为5wt％～10wt％的盐酸或硫酸浸渍处理8～15小时，经碳酸钠或苛性碱中和后洗涤，然后烘干，粉碎至所需要的粒度。本发明优选蒙脱石粉的粒径为61μm～89μm。
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，水中的铀可以被充分吸附。
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铀的滤芯。
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铀的去除率高，适用于受其污染的饮用水，免除放射性核素铀对人体产生的伤害，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铀的去除率为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)称取医用活性炭粉100g，所述医用活性炭的粒径为74μm～104μm；
(2)称取超高分子量聚乙烯粉150g，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)称取粒径为0.1mm左右的焦炭粉120g；
(4)将蒙脱石碎至，用浓度为8wt％的盐酸浸渍处理10小时，经碳酸钠中和后洗涤，烘干，粉碎至61μm～89μm，称取所制的活化蒙脱石粉80g；
(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)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260℃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2：
(1)称取医用活性炭粉150g，所述医用活性炭的粒径为74μm～104μm；
(2)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；
(3)称取粒径为0.1mm～0.2mm的焦炭粉200g；
(4)将蒙脱石碎至，用浓度为5wt％的盐酸浸渍处理12小时，经碳酸钠中和后洗涤，烘干，粉碎至61μm～89μm，称取所制的活化蒙脱石粉180g；
(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220℃温度下烧结140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)称取医用活性炭粉200g，所述医用活性炭的粒径为74μm～104μm；
(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)称取粒径为0.1mm～0.2mm的焦炭粉280g；
(4)将蒙脱石碎至，用浓度为9wt％的盐酸浸渍处理8小时，经碳酸钠中和后洗涤，烘干，粉碎至61μm～89μm，称取所制的活化蒙脱石粉120g；
(5)称取偶氮二甲酰胺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0.6MPa的液压压力下压制，在280℃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4：
(1)称取医用活性炭粉250g，所述医用活性炭的粒径为74μm～104μm；
(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-I型产品，其分子量为150万；
(3)称取粒径为0.1mm～0.2mm的焦炭粉180g；
(4)将蒙脱石碎至，用浓度为7wt％的盐酸浸渍处理15小时，经碳酸钠中和后洗涤，烘干，粉碎至61μm～89μm，称取所制的活化蒙脱石粉220g；
(5)称取草酸120g，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220℃温度下烧结150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铀的去除效果好。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铀的含量。
表1使用滤芯处理前后水中的铀含量，单位：μg/L
从表1可以看出，利用本发明的滤芯去除水中的铀取得了很好的效果，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铀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 (10)
1.一种用于去除饮用水中铀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、焦炭粉、蒙脱石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、焦炭粉、蒙脱石粉和发孔剂的重量比为：100～350∶80～250∶100～300∶80～250∶50～150；
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，所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、焦炭粉、蒙脱石粉和发孔剂的重量比为：150～300∶100～200∶150～250∶100～200∶80～120。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述活性炭粉为粒径为74μm～104μm的医用活性炭粉。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯粉的粒径为89μm～104μm。
5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述焦炭粉的粒径在0.2mm以下。
6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述蒙脱石粉经过酸活化，粒径为61μm～89μm。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的制备方法得到的用于去除饮用水中铀的过滤介质。
8.一种滤芯，其特征在于，由权利要求7所述的过滤介质构成。
9.一种净水装置，其特征在于，包括权利要求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，其特征在于，包括权利要求9所述的净水装置。
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