CN104028042A

CN104028042A - 一种用于去除水中汞的过滤介质及其制备方法

Info

Publication number: CN104028042A
Application number: CN201410210112.XA
Authority: CN
Inventors: 梁晓
Original assignee: 梁晓
Current assignee: Guangxi Zhuque agriculture and Forestry Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2014-05-19
Filing date: 2014-05-19
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2034-05-19
Also published as: CN104028042B

Abstract

本发明提供了一种用于去除水中汞的过滤介质及其制备方法。由于本发明采用的超高分子量聚乙烯、吸附有苯酚的木质活性炭、表面涂覆有羟基氧化铁的石灰石颗粒、海泡石粉、赤泥以及烯烃纳米复合材料均对汞有很强的吸附作用，因此，在上述原料的协同加合作用下，利用本发明提供的过滤介质制备得到的滤芯可以有效去除待处理水中的汞。实验结果表明，本发明提供的滤芯对汞的去除率较高，适用于家庭终端应用水处理的需要。

Description

一种用于去除水中汞的过滤介质及其制备方法

技术领域

本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及一种用于去除水中汞的过滤介质及其制备方法。

背景技术

工业和农业的迅速发展导致水资源遭到严重破坏，工业废水排放到江河、湖泊中，农药、杀虫剂等大量使用以及生活废水、工业废水的肆意排放，这些都造成地下水和地表水的水质变差，导致水中产生很多对人体有害的物质。由于重金属在工业生产过程中应用广泛，因此，每年都有大量的重金属随着工业废水的排放而进入天然水体，从而导致水体的重金属污染。由于重金属在进入水体后不会自动消失，而且特别容易在生物体内积累，因此重金属对生态环境和人体健康的危害是非常严重的。

汞是一种剧毒非必需元素，广泛存在于各类环境介质和食物链中，其踪迹遍布全球各个角落。汞可以在生物体内积累，很容易被皮肤以及呼吸道和消化道吸收。水俣病是汞中毒的一种。汞破坏中枢神经系统，对口、粘膜和牙齿有不良影响。长时间暴露在高汞环境中可以导致脑损伤和死亡。尽管汞沸点很高，但在室内温度下饱和的汞蒸气已经达到了中毒剂量的数倍。

目前，除汞的方法很多，例如，申请号为201080040788.9的中国专利文献报道了一种从水中除去汞的方法，但是其并不适用于去除饮用水中的汞，并且去除效果并不理想。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种用于去除水中汞的过滤介质及其制备方法，用于去除水中汞，去除率较高。

有鉴于此，本发明提供了一种用于去除水中汞的过滤介质的制备方法，包括以下步骤：

将混合物置于模压器中模压，然后在150～210℃下烧结70～120分钟，冷却、脱模后得到过滤介质，所述混合物由以下组分构成：300～650重量份的超高分子量聚乙烯、100～300重量份的吸附有苯酚的木质活性炭、10～40重量份的发孔剂、200～550重量份的表面涂覆有羟基氧化铁的石灰石颗粒、20～100重量份的海泡石粉、20～100重量份的分子筛粉、20～100重量份的赤泥、50～100重量份的聚烯烃纳米复合材料，所述聚烯烃纳米复合材料包括以下组分：半结晶聚烯烃树脂和层状硅酸盐的纳米尺寸填料，所述超高分子量聚乙烯的重均分子量为500万～800万。

优选的，所述烧结温度为150～180℃，烧结时间为80～100分钟。

优选的，所述木质活性炭的苯酚吸附量为100～300mg/g。

优选的，所述表面涂覆有羟基氧化铁的石灰石颗粒的粒径为200～350μm。

优选的，所述表面涂覆有羟基氧化铁的石灰石颗粒的铁含量为10～13wt％。

优选的，所述羟基氧化铁的平均厚度为25～30μm。

优选的，所述聚烯烃纳米复合材料按照如下方法制备：

将聚烯烃树脂与纳米尺寸层状硅酸盐混合，得到母料；

将所述母料与聚烯烃组分混合。

优选的，所述超高分子量聚乙烯为500重量份；吸附有苯酚的木质活性炭为200重量份；聚烯烃纳米复合材料为80重量份。

相应的，本发明还提供一种由上述制备方法制备的用于去除水中汞的过滤介质。

相应的，本发明还提供一种由上述过滤介质构成的用于去除水中汞的滤芯。

本发明提供了一种用于去除水中汞的过滤介质的制备方法，包括以下步骤：将混合物置于模压器中模压，然后在150～210℃下烧结70～120分钟，冷却、脱模后得到过滤介质，所述混合物由以下组分构成：300～650重量份的超高分子量聚乙烯、100～300重量份的吸附有苯酚的木质活性炭、10～40重量份的发孔剂、200～550重量份的表面涂覆有羟基氧化铁的石灰石颗粒、20～100重量份的海泡石粉、20～100重量份的分子筛粉、20～100重量份的赤泥、50～100重量份的聚烯烃纳米复合材料，所述聚烯烃纳米复合材料包括以下组分：半结晶聚烯烃树脂和层状硅酸盐的纳米尺寸填料，所述超高分子量聚乙烯的重均分子量为500万～800万。由于本发明采用的超高分子量聚乙烯、吸附有苯酚的木质活性炭、表面涂覆有羟基氧化铁的石灰石颗粒、海泡石粉、赤泥以及烯烃纳米复合材料均对汞有很强的吸附作用，因此，在上述原料的协同加合作用下，利用本发明提供的过滤介质制备得到的滤芯可以有效去除待处理水中的汞。实验结果表明，本发明提供的滤芯对汞的去除率较高，适用于家庭终端应用水处理的需要。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，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。

本发明实施例公开了一种用于去除水中汞的过滤介质的制备方法，包括以下步骤：将混合物置于模压器中模压，然后在150～210℃下烧结70～120分钟，冷却、脱模后得到过滤介质，所述混合物由以下组分构成：300～650重量份的超高分子量聚乙烯、100～300重量份的吸附有苯酚的木质活性炭、10～40重量份的发孔剂、200～550重量份的表面涂覆有羟基氧化铁的石灰石颗粒、20～100重量份的海泡石粉、20～100重量份的分子筛粉、20～100重量份的赤泥、50～100重量份的聚烯烃纳米复合材料，所述聚烯烃纳米复合材料包括以下组分：半结晶聚烯烃树脂和层状硅酸盐的纳米尺寸填料，所述超高分子量聚乙烯的重均分子量为500万～800万。

在本发明中，所述超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的密度优选为0.936～0.964g/cm³；其热变形温度优选为85℃；熔点优选为130～136℃，更优选为132～135℃，此外，所述超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)耐磨性良好。本发明采用的超高分子量聚乙烯的重均分子量优选为630万～670万，更优选为660万。本发明采用的超高分子量聚乙烯优选为粉末状，其粒径优选为100～200μm，更优选为120～160μm，最优选为120～150μm。本发明采用的超高分子量聚乙烯起到粘结和形成过滤介质骨架、孔腔的作用。

与低分子量聚乙烯相比，超高分子量聚乙烯具有强大的静电吸附作用，可以吸附细微、超细微的颗粒。本发明采用的超高分子量聚乙烯可以采用国内生产厂家生产的超高分子量聚乙烯，例如北京东方石油化工有限公司助剂二厂和南京国晨化工有限公司厂家生产的超高分子量聚乙烯。

所述木质活性炭优选按照如下方法制备：将由木炭制备的炭通过在含氧化气的蒸汽中高温热解活化，再经过无机酸洗清洗并烘干。所述木质活性炭具有无臭、无味、无砂性的特性，不溶于任何溶剂，其相对密度约为1.9～2.1，表观相对密度约为0.08～0.45。在制备得到木质活性炭后，将所述木质活性炭对苯酚进行吸附，得到所述吸附有苯酚的木质活性炭。所述吸附有苯酚的木质活性炭的苯酚吸附量为100～300mg/g，优选为200～300mg/g，更优选为260～290mg/g。

本发明采用的吸附有苯酚的木质活性炭对各种气体有选择性的吸附能力，对有机色素和含氮碱等具有高容量吸附能力，更重要的是，所述活吸附有苯酚的木质活性炭对待处理水中的汞具有较强的吸附能力。本发明优选采用医用活性炭，其作为国家相关药检标准的产品，杂质含量更低，吸附效果更好。本发明采用的木质活性炭具有丰富的孔隙结构，其表面积优选为900m²/g以上，更优选为1000～1800m²/g，最优选为1100～1500m²/g。所述木质活性炭的粒度优选为50～100目，更优选为50～80目，最优选为55～70目。

由于本发明采用的木质活性炭吸附有苯酚，因此，含有汞的水从本发明提供的过滤介质中通过时，对于水中的汞具有较强的物理吸附。

发孔剂选择偶氮二甲酰胺、食品级碳酸氢铵、草酸中的至少一种。作为优选，发孔剂为偶氮二甲酰胺或食品级碳酸氢铵。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。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。其中，优选使用食品级碳酸氢铵。

本发明中用于涂覆羟基氧化铁的石灰石为碳酸钙基无机材料，所述碳酸钙无机材料表示包含至少50wt％的碳酸钙的材料，包括但不限于大理石、白云石等。本发明采用的表面涂覆有羟基氧化铁的石灰石颗粒优选按照如下方法制备：将氯化铁和/或硫酸铁加入包含石灰石颗粒和水的反应器中，然后加入碱，控制溶液的pH值为5～7，洗涤、干燥后得到表面涂覆有羟基氧化铁的石灰石颗粒。本发明中表面涂覆有羟基氧化铁的石灰石颗粒对汞有很强的吸附作用，尤其是羟基氧化铁涂层可以显著提高制备的过滤介质对汞的吸附效率。所述表面涂覆有羟基氧化铁的石灰石颗粒的粒径优选为200～350μm，更优选为200～240μm，最优选为230μm；其铁含量优选为10～18wt％，更优选为10～11wt％；所述羟基氧化铁的平均厚度优选为22～30μm，更优选为23～28μm。

海泡石按照形成的原因可以分为热液型海泡石和沉积型海泡石两种类型，通常称为α-型海泡石和β-型海泡石。热液型海泡石矿由热液直接结晶而成或者由火山玻璃、含镁的矿物经低温热液蚀变而成，常产于富含镁的白云质灰岩、白云质大理岩石中；沉积型海泡石矿床常与碳酸盐岩、粘土岩共生，由沉积成岩作用生成。热液型海泡石呈长束纤维状，MgO(氧化镁)和SiO₂(二氧化硅)含量高，Al₂O₃(氧化铝)含量低，为富镁海泡石；沉积型海泡石呈粘土状，但在电子显微镜下观察仍然呈纤维状，改性海泡石Al₂O₃含量高，Mg和SiO₂含量低，为富铝海泡石。海泡石具有大的比表面积和孔容积，有贯穿整个结构的通道和空隙，而且海泡石表面存在三类活性中心：(1)硅氧四面体层中的氧原子，氧原子提供弱的电荷从而进行对吸附物的吸附；(2)在边缘部位与镁离子配位的水分子，它们可以与吸附物形成氢键；(3)在四面体的外表面，Si-O-Si键断裂而产生的Si-OH离子团，通过一个质子或一个羟基分子来补偿剩余的电荷，这些离子团沿纤维轴以5埃的间距分布，其数量取决于纤维的大小和晶体的缺穴。这些Si-OH离子团可与被吸附在海泡石外表面上的分子相互作用，还可以与某些有机试剂形成共价键。这些活性中心使得海泡石的吸附性能极好，包括吸附非极性或者弱极性的有机化合物。优选使用粒径为18～150微米的海泡石粉。粒径小的海泡石粉比表面积大，更容易发挥吸附作用。经过活化处理的海泡石粉效果更佳，可以使用酸活化，例如使用浓度为0.1～20％的硫酸在温度20～100℃浸泡处理1～15h(小时)。

海泡石按照形成的原因可以分为热液型海泡石和沉积型海泡石两种类型，通常称为α-型海泡石和β-型海泡石。热液型海泡石矿由热液直接结晶而成或者由火山玻璃、含镁的矿物经低温热液蚀变而成，常产于富含镁的白云质灰岩、白云质大理岩石中；沉积型海泡石矿床常与碳酸盐岩、粘土岩共生，由沉积成岩作用生成。热液型海泡石呈长束纤维状，MgO(氧化镁)和SiO₂(二氧化硅)含量高，Al₂O₃(氧化铝)含量低，为富镁海泡石；沉积型海泡石呈粘土状，但在电子显微镜下观察仍然呈纤维状，改性海泡石Al₂O₃含量高，Mg和SiO₂含量低，为富铝海泡石。海泡石具有大的比表面积和孔容积，有贯穿整个结构的通道和空隙，而且海泡石表面存在三类活性中心：(1)硅氧四面体层中的氧原子，氧原子提供弱的电荷从而进行对吸附物的吸附；(2)在边缘部位与镁离子配位的水分子，它们可以与吸附物形成氢键；(3)在四面体的外表面，Si-O-Si键断裂而产生的Si-OH离子团，通过一个质子或一个羟基分子来补偿剩余的电荷，这些离子团沿纤维轴以5埃的间距分布，其数量取决于纤维的大小和晶体的缺穴。这些Si-OH离子团可与被吸附在海泡石外表面上的分子相互作用，还可以与某些有机试剂形成共价键。这些活性中心使得海泡石的吸附性能极好，包括吸附非极性或者弱极性的有机化合物。优选使用粒径为18～150微米的海泡石粉。粒径小的海泡石粉比表面积大，更容易发挥吸附作用。经过活化处理的海泡石粉效果更佳，可以使用酸活化，例如使用浓度为0.1～20％的硫酸在温度20～100℃浸泡处理1～15h。

所述聚烯烃纳米复合材料包括以下组分：半结晶聚烯烃树脂和层状硅酸盐的纳米尺寸填料。其中，所述聚烯烃树脂优选为丙烯聚合物，可以为丙烯均聚物或者无规共聚物。层状硅酸盐优选为蒙脱石粘土或纳米沸石。

所述聚烯烃纳米复合材料按照如下方法制备：将聚烯烃树脂与纳米尺寸层状硅酸盐混合，得到母料；将所述母料与聚烯烃组分混合。具体的，聚烯烃纳米复合材料是通过机械混合的方法制备，纳米尺寸层状硅酸盐可以作为母料的一部分混合到聚烯烃组分中，在此情况下，纳米尺寸层状硅酸盐被预先分散在可与聚烯烃组分相同或者不同的聚烯烃树脂中，然后将制备的母料与聚烯烃组分混合。本发明采用的聚烯烃纳米复合材料可以采用传统设备制备，如单螺杆挤出机或双螺杆挤出机。

聚烯烃纳米复合材料对水中汞具有很强的吸附作用，并且与其他原料具有协同作用，从而对水中的汞的去除率较高。

在制备过程中，所述烧结温度优选为160～190℃，更优选为170℃；烧结时间优选为90分钟。

作为优选方案，所述超高分子量聚乙烯为400重量份；吸附有苯酚的木质活性炭为150重量份；聚烯烃纳米复合材料为80重量份。

对于上述混合步骤，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气或搅拌器都是适用的，例如，滚筒式混合物、螺旋式搅拌器等。

相应的，本发明还提供一种由上述制备方法制备得到的过滤介质。同时，还提供一种由上述过滤介质构成的用于去除水中汞的滤芯。本发明提供的滤芯的结构为本领域技术人员熟知的结构，对此本发明并无特别限制。

按照本发明，所述赤泥优选为赤泥粉，指镁粉、铝粉和铁粉的混合物，这三种金属均对汞具有一定的吸附作用，联合使用，更够更加高效的去除水中的汞。作为优选方案，采用粒径为90～100微米的赤泥粉。其中，赤泥粉的粒径对汞的吸附作用强弱具有重要的作用，粒径过大或过小，均会导致对汞的吸附作用的下降。

在制备过程中，所述烧结温度优选为150～180℃，更优选为170℃；烧结时间优选为80～100分钟，更优选为90分钟。

作为优选方案，所述超高分子量聚乙烯为500重量份；吸附有苯酚的木质活性炭为200重量份；聚烯烃纳米复合材料为80重量份。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

将400毫升粒径为150～400微米的石灰石颗粒加入反应器中，然后加入400毫升去离子水，在15分钟内加入800毫升40wt％的氯化铁溶液，反应40分钟后，向反应器中加入1500毫升8wt％的NaHCO₃，然后加入NaOH，搅拌15分钟，控制pH值3～8，洗涤至洗涤液的pH值为7.1，然后在110℃的烘箱中干燥50小时，得到表面涂覆有羟基氧化铁的石灰石颗粒，所述表面涂覆有羟基氧化铁的石灰石颗粒的铁含量为10wt％，所述羟基氧化铁的平均厚度为25μm；

在双螺杆挤出机中，采用以下组分制备母料：88wt％聚丙烯基质、5wt％的纳米沸石、7wt％的马来酸酐-g-聚丙烯，具有0.7wt％的接枝在聚丙烯上的马来酸酐。挤出条件：挤出温度：200℃、在挤出机中停留时间：0.5min、剪切混合：100秒^-1。

得到母料后，在双螺杆挤出机中采用以下组分制备聚烯烃纳米复合材料：97重量份的全同异构丙烯均聚物和3重量份上述制备的母料，挤出条件与上述相同。

称取350g分子量为650万的超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)、150g粒度为60目的吸附有苯酚的医用木质活性炭、20g食品级碳酸氢铵、380g表面涂覆有羟基氧化铁的石灰石颗粒、50g海泡石粉、50g分子筛粉、50g赤泥和100g聚烯烃纳米复合材料放入搅拌器中搅拌80分钟后，去除部分装入管状模具中，压制，在190℃下烧结110分钟，冷却后脱模，得到滤芯，所述医用木质活性炭的苯酚吸附量为160mg/g。

实施例2

称取550g分子量为650万的超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)、200g粒度为60目的吸附有苯酚的医用木质活性炭、20g食品级碳酸氢铵、400g表面涂覆有羟基氧化铁的石灰石颗粒、50g海泡石粉、50g分子筛粉、50g赤泥和100g聚烯烃纳米复合材料放入搅拌器中搅拌80分钟后，去除部分装入管状模具中，压制，在190℃下烧结110分钟，冷却后脱模，得到滤芯，所述医用木质活性炭的苯酚吸附量为160mg/g。

实施例3

取实施例1～2制备的滤芯，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，滤芯两端粘结上连接端盖，然后放置于不锈钢壳体内处理饮用水。经检测，该滤芯对汞具有良好的去除效果。表1为采用本发明实施例1～2提供的滤芯对饮用水处理前后汞的含量。

表1使用实施例1～2制备的滤芯处理前后水中的汞的含量

从表1中可以看出，本发明提供的滤芯可以有效去除水中的汞，适用于家庭终端应用水处理的需要。

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。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种用于去除水中汞的过滤介质及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烧结温度为150～180℃，烧结时间为80～100分钟。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述木质活性炭的苯酚吸附量为100～300mg/g。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述表面涂覆有羟基氧化铁的石灰石颗粒的粒径为200～350μm。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述表面涂覆有羟基氧化铁的石灰石颗粒的铁含量为10～13wt％。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述羟基氧化铁的平均厚度为25～30μm。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚烯烃纳米复合材料按照如下方法制备：

将聚烯烃树脂与纳米尺寸层状硅酸盐混合，得到母料；

将所述母料与聚烯烃组分混合。

8.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为500重量份；吸附有苯酚的木质活性炭为200重量份；聚烯烃纳米复合材料为80重量份。

9.一种由权利要求1～8任意一项所述的制备方法制备的用于去除水中汞的过滤介质。

10.由权利要求9所述的过滤介质构成的用于去除水中汞的滤芯。