CN104014199B

CN104014199B - 用于去除饮用水中苯酚的过滤介质、滤芯以及制备方法

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Publication number: CN104014199B
Application number: CN201410286110.9A
Authority: CN
Inventors: 潘峰; 栾仁堂
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-06-24
Filing date: 2014-06-24
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2034-06-24
Also published as: CN104014199A

Abstract

本发明提供了一种去除饮用水苯酚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、改性膨润土、改性凹凸棒石粉、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、改性膨润土、改性凹凸棒石粉、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苯酚的去除率高，方法简单，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。经检测该过滤介质对饮用水中苯酚的去除率在97.6％以上。

Description

用于去除饮用水中苯酚的过滤介质、滤芯以及制备方法

技术领域

本发明涉及一种去除饮用水中苯酚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

苯酚在常温下为无色针状结晶或白色结晶，有毒。苯酚有腐蚀性，常温下溶于水，易溶于乙醇、乙醚、氯仿、甘油、二硫化碳等有机溶剂。当温度高于65℃时，能跟水以任意比例互溶。1834年德国化学家龙格从煤焦油中发现了苯酚。苯酚是一种常见的化学品，是生产某些酚醛树脂、双酚A、己内酰胺、化肥、炸药、药物、涂料、染料、橡胶、防腐剂、农药、合成树脂的重要原料。苯酚能凝固蛋白质，具有杀菌能力，常用作消毒剂、杀菌剂等。

苯酚经呼吸道、皮肤黏膜和消化道进入人体内，属于高毒物质。它已经被世界野生动物基金会列为环境荷尔蒙物质；由于它的毒性大，也被我国环境部门和美国国家环保署等多家机构列为优先控制污染。

当水中苯酚浓度持续为0.1～0.2mg/L时，鱼肉就会有苯酚的持续臭味。2012年江苏镇江自来水出现异味就是一起苯酚水流污染事件，引起部分市民抢购瓶装水。除此之外，石油、化工、炼油等化学合成工业等废水、废气都会使苯酚进入环境，从而进入水体造成污染。

常规的水处理工艺对苯酚的处理效果不好，不能有效的去除苯酚；生化法处理不仅时间长、占地大、并且培养菌较为麻烦；氧化法不仅方法繁琐并且成本较高；而单一使用活性炭吸附剂效果不佳。

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苯酚的去除率高，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苯酚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、改性膨润土、改性凹凸棒石粉、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、改性膨润土、改性凹凸棒石粉、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，还包括沸石粉，所述沸石粉与所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、改性膨润土、改性凹凸棒石粉、发孔剂的重量比为100～250:100～300:50～100:100～200:100～200:50～100。

优选的，所述沸石粉为经过改性的沸石粉。

优选的，还包括水滑石粉。

优选的，所述水滑石与所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、改性膨润土、改性凹凸棒石粉、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苯酚的过滤介质。

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。

本发明还提供了一种饮水机，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苯酚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、改性膨润土、改性凹凸棒石粉、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、改性膨润土、改性凹凸棒石粉、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苯酚的去除率高，方法简单，适用于受其污染的饮用水，免除苯酚对人体产生的伤害，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苯酚的去除率在97.6％以上。

具体实施方式

一种去除饮用水苯酚的过滤介质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

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、改性膨润土、改性凹凸棒石粉、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、改性膨润土、改性凹凸棒石粉、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，可以起到吸附水中铀的作用。

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。

在本发明中，所述凹凸棒石为单斜晶系，其理想化学式为为Mg₅(H₂0)₄[Si₄O₁₀]₂(OH)₂，化学成分理论值为MgO23.83％、SiO₂56.96％、H₂O19.21％；自然界中的凹凸棒石常有Al³⁺、Fe³⁺等类质同象置换，富含Al³⁺、Fe³⁺变种称为铝凹凸棒石和铁凹凸棒石。如江苏省盱眙县龙王山产的铝凹凸棒石的称为为MgO12.10％、SiO₂58.38％、Al₂O₃9.5％、CaO0.4％、TiO₂0.56％、MnO0.05％、Fe₂O₃+FeO5.26％、Na₂O1.1％、K₂O1.24％。由于凹凸棒石在结构中类似于沸石粉的大通道，因此具有良好的吸附和脱色性能，对分解的有机和硫化氢等都有良好的吸附性能，凹凸棒石粉的吸附性能与矿物中SiO₂的含量有关，含量越高吸附能力越强。

在本发明中，优选对凹凸棒石粉经过酸活化。酸活化的方法优选包括硫酸法、盐酸法、硫酸-盐酸混合法。本发明优选使用盐酸活化改性的凹凸棒石粉，更优选使用申请号为90105849.1的中国发明专利申请公开了一种凹凸棒石粉的酸浸泡活化工艺，包括将小块的体积月0.5～100cm³的凹凸棒石粉粘土原矿，用浓度为1～15wt％的无机酸溶液(如硫酸、盐酸溶液等)浸泡2～100小时，过滤挤压成片，用转筒干燥器在280℃～350℃下活化30～50分钟，粉碎成50μm～100μm的脱色力为250±5的活性凹凸棒石粉。

在本发明中，优选的，凹凸棒石粉经过酸活化处理后的粒径为74μm～104μm，更优选为80μm～100μm。酸活化处理的凹凸棒石粉有更大的比表面积，对于铀外表面吸附、胶体吸附和其孔道内表面吸附等多种吸附方式，吸附能力更强。

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。

在本发明中，通过上述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、改性膨润土、改性凹凸棒石粉、发孔剂的相互配合和相互作用，共同使得对于饮用水中的苯酚的去除率高，效果好。

在本发明中，优选还包括沸石粉，沸石粉优选为经过镁改性的沸石粉，具体为：将氧化镁在873K下焙烧4h，冷却后将氧化镁粉末与天然沸石粉按一定重量比混合均匀，置于微波炉中辐射20min，冷却后即得到负载氧化镁的改性沸石粉。所述沸石粉优选与所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、改性膨润土、改性凹凸棒石粉、发孔剂的重量比为100～250:100～300:50～100:100～200:100～200:50～100，更优选为120～230:130～280:70～90:120～180:120～180:70～90。

在本发明中，所述经过改性的沸石粉和上述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、改性膨润土、改性凹凸棒石粉、发孔剂的相互配合和相互作用，能显著提高饮用水中的放射性苯酚的去除率，效果好。

在本发明中，优选还包括水滑石粉，所述水滑石粉优选与所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、改性膨润土、改性凹凸棒石粉、发孔剂的重量比为80～150:100～300:50～100:100～200:100～200:50～100，更优选为90～140:130～280:70～90:120～180:120～180:70～90。所述水滑石粉和沸石粉的重量比优选为80～150:100～250，更优选为90～140:120～230。

水滑石粉类化合物(LDHs)是一类具有层状结构的新型无机功能材料，可以用作催化剂、催化剂载体、在医药上可以用作抗酸药、在功能高分子材料添加剂方面可以用作红外吸收材料、紫外吸收材料和阻隔材料、结构完整性无机分散相、新型杀菌材料、新型阻燃材料、聚氯乙烯稳定剂。水滑石粉本身具有层状结构，层间离子具有可交换性、因此和其余物质配合可以和铀发生交换，从而达到去除的目的；其次，由于水滑石粉的特殊结构决定了水滑石粉本身具有很大的表面积，因此具有一定的吸附能力，又由于水滑石粉板层之间具有阴离子，使其吸附能力进一步增强，因此水滑石粉除了离子交换以外，还可以将铀吸附到其表面，这样一来就增加了水滑石粉的交换容量，最后水滑石粉本身的阴离子可能还会和一定的金属离子发生螯合作用，使其交换容量进一步增强。

因此，在本发明中，通过水滑石粉的离子交换、记忆效应以及吸附和螯合作用和超高分子量聚乙烯的粘结和过滤作用、活性炭和吸附作用、凹凸棒石的吸附和脱色性能以及膨润土、发孔剂的吸附和絮凝作用相结合、相互配伍共同作用，使得综合效果远远高于任意一种组分单独处理，同时跟沸石粉的相互作用也具有良好的效果，使得对于饮用水中的苯酚的去除率很高，效果更好。

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，水中的苯酚可以被充分吸附。

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苯酚的滤芯。

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苯酚的去除率高，方法简单，适用于受其污染的饮用水，免除苯酚对人体产生的伤害，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苯酚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)称取凹凸棒石粉100g，用浓度为8wt％的盐酸浸渍处理10小时，过滤挤压成片，用转筒干燥器在280℃活化35分钟，粉碎成80μm的脱色力为250的活性凹凸棒石粉；

(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)称取凹凸棒石粉140g，用浓度为10wt％的盐酸浸渍处理15小时，过滤挤压成片，用转筒干燥器在300℃活化40分钟，粉碎成70μm的脱色力为250的活性凹凸棒石粉；

(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)称取凹凸棒石粉200g，用浓度为10wt％的盐酸浸渍处理15小时，过滤挤压成片，用转筒干燥器在300℃活化40分钟，粉碎成100μm的脱色力为250的活性凹凸棒石粉；

(5)称取发孔剂100g；

(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

(3)称取酸改性膨润土粉200g；

(5)称取发孔剂100g；

(6)称取镁改性的沸石粉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5

(3)称取酸改性膨润土粉200g；

(5)称取发孔剂100g；

(6)称取水滑石粉100g；

(9)自然冷却至40℃然后用脱膜纸脱模，即得滤芯。

实施例6

(3)称取酸改性膨润土粉200g；

(5)称取发孔剂100g；

(6)称取镁改性的沸石粉200g；

(7)称取水滑石粉100g；

(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

(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

(3)称取凹凸棒石粉100g，用浓度为8wt％的盐酸浸渍处理10小时，过滤挤压成片，用转筒干燥器在280℃活化35分钟，粉碎成80μm的脱色力为250的活性凹凸棒石粉；

(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；

(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

(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苯酚的去除效果好。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苯酚的含量。

表1使用滤芯处理前后水中的苯酚含量，单位：mg/L

从表1可以看出，利用本发明的滤芯去除水中的苯酚取得了很好的效果，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苯酚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

1.一种去除饮用水苯酚的过滤介质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)将经过镁改性的沸石粉、超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、改性膨润土、改性凹凸棒石粉、发孔剂混合，得到混合物，所述经过镁改性的沸石粉、超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、改性膨润土、改性凹凸棒石粉、发孔剂的重量比为100～250:100～300:50～100:100～200:100～200:50～100；

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，还包括水滑石粉。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述水滑石与所述经过镁改性的沸石粉、超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、改性膨润土、改性凹凸棒石粉、发孔剂的重量比为80～150:100～250:100～300:50～100:100～200:100～200:50～100。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法得到的用于去除饮用水中苯酚的过滤介质。

5.一种滤芯，其特征在于，由权利要求4所述的过滤介质构成。

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

7.一种饮水机，其特征在于，包括权利要求6所述的净水装置。