CN104014198A - 用于去除饮用水中镉的过滤介质、滤芯以及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种去除饮用水中镉的过滤介质的制备方法，包括以下步骤：a)将超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、氢氧化镁粉、改性膨润土粉和发孔剂混合，得到混合物，所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、氢氧化镁粉、改性膨润土粉和发孔剂的重量比为100～300:50～100:100～200:100～200:50～100；b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制、烧结、冷却。本发明在上述原料的协同作用下，制备得到的过滤介质对水中镉的去除率高，方法简单，适用于受其污染的饮用水，免除元素镉对人体产生的伤害，使用简便，成本低，经检测该过滤介质对饮用水中镉的去除率在97.6％以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种去除饮用水中镉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
镉在常温下是一种具有银白色或略带蓝色光泽的金属，是延展性和耐腐蚀性良好的稀有金属。镉及其化合物来源于矿床开采、金属冶炼、玻璃、陶瓷、油化、制药、化纤、电镀等，其广泛应用于电池、合金、塑料制品的稳定剂等。世界每年向环境中释放的隔达3万吨左右，其中80％以上会进入土壤中。镉类化合物具有较大的脂溶性，生物聚集性、毒性，并且在植物、水生生物、动物体内蓄积，通过食物链传播。我国许多地区存在不同程度的蔬菜、粮食以及水的镉污染现象。
镉的生物学半衰期长达10～30年，镉引起的疾病潜伏期长，对人体危害大，其通过消化道进入人体，与机体中各种含巯基的酸结合，抑制酸的活性与生理功能。镉在肾脏、肝脏中累积，从而导致肾结石、肝损害剂贫血等疾病。饮用水中镉浓度超标时，会导致新陈代谢不良、肝病变、以及危害神经系统和生殖系统等。
日本的骨痛病就是因镉中毒而引发的；在2000年又出现镉大米事件。在我国，2005年广东韶关冶炼厂排水镉超标10倍；06年湘江镉污染。
面对上述污染，传统的水处理工艺对镉的处理效果不好，不能有效的去除镉；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；而沉淀法同样会出现处理难的问题。
发明内容
有鉴于此，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镉的去除率高，并且方法简单。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。
本发明提供了一种去除饮用水中镉的过滤介质的制备方法，包括以下步骤：
a)将超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、氢氧化镁粉、改性膨润土粉和发孔剂混合，得到混合物，所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、氢氧化镁粉、改性膨润土粉和发孔剂的重量比为100～300:50～100:100～200:100～200:50～100；
b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制、烧结、冷却。
优选的，还包括麦饭石粉，所述麦饭石粉与所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、氢氧化镁粉、改性膨润土粉和发孔剂的重量比为100～250:100～300:50～100:100～200:100～200:50～100。
优选的，所述麦饭石粉为经过锰改性的麦饭石粉。
优选的，还包括浮石粉。
优选的，所述浮石粉与所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、氢氧化镁粉、改性膨润土粉和发孔剂的重量比为80～150:100～300:50～100:100～200:100～200:50～100。
本发明提供了根据上述权利要求所述的制备方法得到的用于去除饮用水中镉的过滤介质。
本发明提供了一种滤芯，由上述权利要求所述的过滤介质构成。
本发明提供了一种净水装置，包括上述权利要求所述的过滤介质或者上述权利要求所述的滤芯。
本发明提供了一种饮水机，包括上述权利要求所述的净水装置。
与现有技术相比，本发明提供了一种去除饮用水中镉的过滤介质的制备方法，包括以下步骤：a)将超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、氢氧化镁粉、改性膨润土粉和发孔剂混合，得到混合物，所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、氢氧化镁粉、改性膨润土粉和发孔剂的重量比为100～300:50～100:100～200:100～200:50～100；b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制、烧结、冷却。本发明在上述原料的协同作用下，制备得到的过滤介质对水中镉的去除率高，方法简单，适用于受其污染的饮用水，免除元素镉对人体产生的伤害，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镉的去除率在97.6％以上。
具体实施方式
本发明提供了一种去除饮用水中镉的过滤介质的制备方法，包括以下步骤：
a)将超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、氢氧化镁粉、改性膨润土粉和发孔剂混合，得到混合物，所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、氢氧化镁粉、改性膨润土粉和发孔剂的重量比为100～300:50～100:100～200:100～200:50～100；
b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制、烧结、冷却。
本发明首先将超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、氢氧化镁粉、改性膨润土粉和发孔剂混合，得到混合物，所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、氢氧化镁粉、改性膨润土粉和发孔剂的重量比为100～300:50～100:100～200:100～200:50～100；优选为130～280:70～90:120～180:120～180:70～90；更优选为150～250:75～85:140～160:140～160:75～85。
在本发明中，所述超高分子量聚乙烯的重均分子量优选为100万～700万，更优选为200万～600万，最优选为250万～400万。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，可以起到吸附水中镉的作用。
在本发明中，活性炭是一种多孔性物质，具有蜂窝状的孔隙结构，较大的比表面积，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。根据原料来源的不同活性炭优选分为木质活性炭、矿物质原料活性炭和其他原料制成的活性炭等。其中，所述木质活性炭优选包括椰壳活性炭、杏壳活性炭、木质粉炭；所述矿物质原料活性炭优选包括各种煤和石油及其加工产物为原料制成的活性炭；其他原料制成的活性炭优选包括废橡胶、废塑料制成的活性炭。本发明优选使用以椰壳材质为来源的活性炭，其强度较高、吸附性能好，更优选为以椰壳材质为来源的医用活性炭。在本发明中，所述活性炭的比表面积优选不低于500m2/g，更优选不低于1000m2/g。活性炭可以高效的吸附水中的有机物、尤其是医用活性炭，作为用过国家相关药品监督标准的产品，杂质含量低，表面积更大，吸附效果也更好，并且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。
膨润土是以蒙脱石为主的含水粘土矿。蒙脱石的化学成分为:(Al2,Mg3)[Si4O10][OH]2·nH2O,由于它具有特殊的性质。如膨润性、粘结性、吸附性、催化性、触变性、悬浮性以及阳离子交换性。所以广泛用于各个工业领域。膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的非金属矿产，蒙脱石结构是由两个硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成的2：1型晶体结构,由于蒙脱石晶胞形成的层状结构存在某些阳离子，如Cu、Mg、Na、K等,且这些阳离子与蒙脱石晶胞的作用很不牢固，易被其它阳离子交换，故具有较好的离子交换性。本发明所述的改性膨润土粉为本领域技术人员公知的经过酸或碱的改性活化技术，优选用酸活化。改性后，使分散的膨润土单晶片形成层柱状结构，在缔合颗粒之间形成了较大的空间，改变了膨润土在水中的分散状态及性能，提高了其吸附能力和离子交换能力，可以在较宽的pH值范围内对苯酚有较好的去除效果。
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。
本发明所述氢氧化镁是无色六方柱晶体或白色粉末，难溶于水和醇，溶于稀酸和铵盐溶液，水溶液呈碱性。在水中的溶解度很小，为强电解质。其比表面积大，吸附力强，尤其较易从被污染的水中吸附镉。
在本发明中，通过上述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、氢氧化镁粉、改性膨润土粉和发孔剂的相互配合和相互作用，共同使得对于饮用水中的镉的去除率高，效果好。
在本发明中，优选还包括浮石粉，所述浮石粉与所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、氢氧化镁粉、改性膨润土粉和发孔剂的重量比优选为80～150:100～300:50～100:100～200:100～200:50～100，更优选为90～130:130～280:60～90:120～180:110～180:60～90。
在本发明中，所述浮石粉和上述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、氢氧化镁粉、改性膨润土粉和发孔剂可以相互配合和相互作用，能显著提高饮用水中的镉的去除率，效果更好。
在本发明中，优选还包括麦饭石粉，所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、氢氧化镁粉、改性膨润土粉、发孔剂、麦饭石粉的重量比为100～300:50～100:100～200:100～200:50～100:100～250；优选为130～280:70～90:120～180:120～180:70～90:120～200；更优选为150～250:75～85:140～160:140～160:75～85：150～180。
在本发明中，麦饭石粉材料来源极其丰富、价廉、吸附性能好且具有良好的矿化性、生物活性、溶出性。本发明的麦饭石粉优选为经过锰改性的麦饭石粉。具体为：利用MnO2制备最佳改性麦饭石粉的条件为：预处理麦饭石粉与MnSO4、KMnO4溶液混合凝胶化40min,使预处理麦饭石粉与生成的MnO2重量比为5,陈化时间2.0d,洗净烘干后在400℃高温下焙烧1.5h。
在本发明中，通过上述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、氢氧化镁粉、改性膨润土粉、发孔剂、麦饭石粉的相互配合和相互作用，共同使得对于饮用水中的镉的去除率高，效果好。并且上述物质和浮石粉的相互配合和相互作用更能提高水中镉的去除率。
在本发明中，对于上述原料的来源和纯度没有特殊限制，优选为市售。
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，水中的镉可以被充分吸附。
在本发明中，对于上述原料的混合没有任何限制，可以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，优选可以为钝的叶轮叶片的搅拌器、滚筒式混合器、螺旋式搅拌器等。对于上述混合器和搅拌器的转速要视混合器的类型而定，对此不进行限制，优选为避免扬起粉尘。
将上述原料混合后，将步骤a)所得的混合物在模具中压制、烧结、冷却。
具体为，将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，压力优选不大于2MPa，更优选为0.5～1.5MPa，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。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。
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镉的滤芯。
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。
本发明在上述原料的协同作用下，制备得到的过滤介质对水中镉的去除率高，方法简单，适用于受其污染的饮用水，免除元素镉对人体产生的伤害，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镉的去除率在97.6％以上。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的去除饮用水镉的过滤介质进行详细描述。
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-I型产品，其分子量为150万；
(2)称取医用活性炭粉50g，所述医用活性炭的比表面积为800m2/g；
(3)称取酸改性膨润土粉100g；
(4)氢氧化镁粉100g；
(5)称取发孔剂50g；
(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℃然后用硅氧烷铀脱模剂脱模，即得滤芯。
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；
(2)称取医用活性炭粉75g，所述医用活性炭的比表面积为1500m2/g；
(3)称取酸改性膨润土粉150g；；
(4)氢氧化镁粉140g；
(5)称取发孔剂75g；
(6)将上述五种粉末放入螺旋式搅拌器中搅拌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℃然后用硅氧烷铀脱模剂脱模，即得滤芯。
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-IV型产品，其分子量为450万；
(2)称取医用活性炭粉100g，所述医用活性炭的比表面积为1200m2/g；
(3)称取酸改性膨润土粉200g；
(4)氢氧化镁粉200g；
(5)称取发孔剂100g；
(6)将上述五种粉末放入螺旋式搅拌器中搅拌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℃然后用脱膜纸脱模，即得滤芯。
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-IV型产品，其分子量为450万；
(2)称取医用活性炭粉100g，所述医用活性炭的比表面积为1200m2/g；
(3)称取酸改性膨润土粉200g；
(4)氢氧化镁粉200g；
(5)称取发孔剂100g；
(6)称取浮石粉120g；
(7)将上述六种粉末放入螺旋式搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；
(8)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；
(9)自然冷却至40℃然后用脱膜纸脱模，即得滤芯。
实施例5
(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-IV型产品，其分子量为450万；
(2)称取医用活性炭粉100g，所述医用活性炭的比表面积为1200m2/g；
(3)称取酸改性膨润土粉200g；
(4)氢氧化镁粉200g；
(5)称取发孔剂100g；
(6)称取麦饭石粉200g；
(7)将上述六种粉末放入螺旋式搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；
(8)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；
(9)自然冷却至40℃然后用脱膜纸脱模，即得滤芯。
实施例6
(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-IV型产品，其分子量为450万；
(2)称取医用活性炭粉100g，所述医用活性炭的比表面积为1200m2/g；
(3)称取酸改性膨润土粉200g；
(4)氢氧化镁粉200g；
(5)称取发孔剂100g；
(6)称取麦饭石粉200g；
(7)称取浮石粉120g；
(8)将上述七种粉末放入螺旋式搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；
(9)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；
(10)自然冷却至40℃然后用脱膜纸脱模，即得滤芯。
比较例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-I型产品，其分子量为150万；
(2)称取医用活性炭粉50g，所述医用活性炭的比表面积为800m2/g；
(3)称取发孔剂50g；
(4)将上述三种粉末放入机械搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；
(5)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；
(6)自然冷却至50℃然后用硅氧烷铀脱模剂脱模，即得滤芯。
制备的滤芯的直径为50mm，长度为200mm。
比较例2
(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-I型产品，其分子量为150万；
(2)称取医用活性炭粉50g，所述医用活性炭的比表面积为800m2/g；
(3)称取酸改性膨润土粉100g；
(4)将上述三种粉末放入机械搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；
(5)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；
(6)自然冷却至50℃然后用硅氧烷铀脱模剂脱模，即得滤芯。
制备的滤芯的直径为50mm，长度为200mm。
比较例3
(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-I型产品，其分子量为150万；
(2)称取医用活性炭粉50g，所述医用活性炭的比表面积为800m2/g；
(3)将上述两种粉末放入机械搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；
(4)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；
(5)自然冷却至50℃然后用硅氧烷铀脱模剂脱模，即得滤芯。
制备的滤芯的直径为50mm，长度为200mm。
实施例7
取实施例1～6以及比较例1～3所得的滤芯，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镉的去除效果好。如表1所示，为采用实施1～6以及比较例1～3提供的滤芯对饮用水处理前后的镉的含量。
表1 使用滤芯处理前后水中的镉含量，单位：μg/L
从表1可以看出，利用本发明的滤芯去除水中的镉取得了很好的效果，去除率在97.6％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镉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。以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种去除饮用水中镉的过滤介质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)将超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、氢氧化镁粉、改性膨润土粉和发孔剂混合，得到混合物，所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、氢氧化镁粉、改性膨润土粉和发孔剂的重量比为100～300:50～100:100～200:100～200:50～100；
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，还包括麦饭石粉，所述麦饭石粉与所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、氢氧化镁粉、改性膨润土粉和发孔剂的重量比为100～250:100～300:50～100:100～200:100～200:50～100。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述麦饭石粉为经过锰改性的麦饭石粉。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括浮石粉。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述浮石粉与所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、氢氧化镁粉、改性膨润土粉和发孔剂的重量比为80～150:100～300:50～100:100～200:100～200:50～100。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的制备方法得到的用于去除饮用水中镉的过滤介质。
7.一种滤芯，其特征在于，由权利要求6所述的过滤介质构成。
8.一种净水装置，其特征在于，包括权利要求6所述的过滤介质或者权利要求7所述的滤芯。
9.一种饮水机，其特征在于，包括权利要求8所述的净水装置。
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