CN104556551B

CN104556551B - 用于消毒、清洁和净化家庭用水的滤器元件

Info

Publication number: CN104556551B
Application number: CN201410528222.0A
Authority: CN
Inventors: 李基凡; 何漪雯; 李家骏; 陈蔚茵
Original assignee: Nano and Advanced Materials Institute Ltd
Current assignee: Nano and Advanced Materials Institute Ltd
Priority date: 2013-10-10
Filing date: 2014-10-09
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2034-10-09
Also published as: US9731227B2; CN104556551A; US20150101980A1

Abstract

本发明涉及一种通过去除例如重金属、细菌、挥发性有机化合物(VOC)，甚至放射性物质等污染物而用于消毒、清洁和净化家庭用水的滤器元件。本滤器元件包含活性炭、离子交换树脂(阳离子型和阴离子型)、生物聚合物和过渡金属氧化物。所述的生物聚合物和过渡金属氧化物两者都是颗粒形式的，并且所述的过渡金属氧化物颗粒可被纳入到生物聚合物颗粒，或作为独立的颗粒被直接纳入到本发明的滤器元件中。本发明的滤器元件的最大处理容量可高达150L家庭用水。通过本发明的滤器元件一些污染物可被去除达99％。本申请也公开了一种制备本发明的滤器元件的方法。

Description

用于消毒、清洁和净化家庭用水的滤器元件

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年10月10日提交的美国临时专利申请系列号61/961,289的优先权，该优先权案的全部公开内容以引用方式并入本申请。

技术领域

本发明涉及一种用于消毒、清洁和净化水的滤器元件。本发明特别关注饮用水的处理领域。

背景技术

清洁的饮用水是人类的基本需求。然而，全球超过10亿人缺乏安全的饮用水。此外，发生在2011年3月11日的东日本大地震造成了东京电力公司(TEPCO)福岛第一核电站发生爆炸，导致大量放射性核元素释放到环境中(供水局(WSD)，健康服务局(HSB)，卫生、劳动和福利部(MHLW)，2011年)。爆炸发生后，放射性碘(¹³¹I)和铯(¹³⁴Cs和¹³⁷Cs)在饮用水中被检测到。因此，这给饮用水的安全性带来了极大的关注。市场上滤水壶的常规水滤器元件通常由活性炭和离子交换树脂组成，其只能去除水中的重金属和挥发性有机物(VOC)。由于2013年3月11日东日本大地震发生后水被放射性物质污染的高风险性，几个研究小组开始研究使用常规水滤器元件以去除污染水中的放射性物质。

发明内容

本发明涉及一种用于消毒、清洁和净化家用水的滤器元件，其不仅可以有效去除水中的放射性物质，还可以去除重金属、VOC和细菌。本发明要求保护的滤器元件包含生物聚合物颗粒、过渡金属氢氧化物或氧化物的颗粒，和一些常规的过滤组件如活性炭和离子交换树脂。纳入的生物聚合物颗粒为多糖，包括但不限于纤维素、淀粉、角叉菜胶、壳聚糖、甲壳质和藻酸盐、或其混合物，由于其正表面电荷或负表面电荷，所述生物聚合物颗粒使所要求保护的滤器元件具有抗菌性能和凝聚性能。此处所述凝聚是指吸引具有相反电荷物质的能力。这些生物聚合物广泛存在、经济、且无毒，使它们成为水滤器元件的合适候选物。过渡金属氢氧化物或氧化物物质由于其成本低、天然广泛存在和环保的特性已经被广泛应用于环境监测、修复和污染预防。这些纳米级的过渡金属氢氧化物或氧化物材料的特殊性质源于其价态丰富、表面积大和电子结构可变。举一个例子，氧化铁纳米材料已显示了可以从废水中成功去除有毒重金属离子和有机污染物。因此，具有极高重金属和VOC吸附能力的过渡金属氧化物纳米颗粒也被包括入本发明的滤器元件中，用于提高其水净化的性能。

因此，本发明的第一个方面提供了一种过滤器介质，其包含所述的生物聚合物、过渡金属氢氧化物或氧化物、活性炭和离子交换树脂。离子交换树脂包括阳离子型和阴离子型离子交换树脂。离子交换树脂包括强酸性树脂(如，聚苯乙烯磺酸钠或polyAMPS)，弱酸性树脂(具有羧酸基团的聚丙烯酸聚合物)，强碱性树脂(如，聚(丙烯酰胺基-N-丙基三甲基氯化铵))，弱碱性树脂(如，聚乙烯胺)，或这些树脂的混合物。生物聚合物是颗粒形式并包括一种或多于一种通过交联具有水不溶性的生物聚合物。生物聚合物颗粒的尺寸范围为从1μm到100μm。交联的生物聚合物的例子包括壳聚糖和藻酸盐。此处用到的交联生物聚合物的交联剂的一个例子是钙化合物。过渡金属氢氧化物或氧化物包括羟基氧化铁(hydroxyiron oxide,α-FeOOH)、氧化铁和氧化铜。过渡金属氢氧化物或氧化物也是颗粒形式，其被从10nm到10μm纳米化并具有如片状、球体和花状的三维分层结构。这些过渡金属氢氧化物或氧化物颗粒可以通过原位处理被纳入生物聚合物颗粒，形成生物聚合物-金属氧化物颗粒，和/或作为单独的颗粒被直接加入滤器元件。生物聚合物-金属氧化物颗粒的一个优选的实施方式是壳聚糖/羟基氧化铁/藻酸盐(CHA)颗粒。在一个实施方式中，本发明要求保护的滤器元件中活性炭：阳离子型离子交换树脂：阴离子型的离子交换树脂：壳聚糖/羟基氧化铁/藻酸钠(CHA)颗粒的重量比是0-30：35-45：15-20：15-20。在另一个实施方式中，活性炭：阳离子型离子交换树脂：阴离子型离子交换树脂：壳聚糖/羟基氧化铁/藻酸盐(CHA)颗粒的重量比是25:41:17:17。除了过渡金属氢氧化物或氧化物，滤器元件还可以包含例如银、锌和铜等金属作为抗菌剂。

本发明的第二个方面涉及一种本文所述滤器元件的制备方法。在一个典型的实施方式中，该方法包含以下步骤：

(a)制备羟基氧化铁纳米颗粒；

(b)将从(a)得到的所述羟基氧化铁纳米颗粒纳入壳聚糖和藻酸盐的第一混合物中，然后搅拌直至形成大量的壳聚糖/羟基氧化铁/藻酸盐(CHA)颗粒；

(c)将从(b)得到的所述CHA颗粒与活性炭、离子交换树脂混合，形成第二混合物；

(d)将从(c)得到的所述第二混合物添加至一个过滤器外壳中以形成滤器元件；

(e)用去离子水冲洗所述滤器元件直至滤液变澄清。

在一个实施方式中，待纳入壳聚糖/藻酸盐混合物中形成CHA颗粒的羟基氧化铁纳米颗粒的制备是通过将硫酸亚铁(II)(FeSO₄·H₂O)溶解到体积比为7:1的水和甘油的混合物中，搅拌该混合物至少10分钟，随后将该混合物转移至高压灭菌锅中加热至约120℃，保持24小时，收集加热过夜后形成的沉淀，以水和甘油的另一混合物洗涤所述沉淀，60℃干燥该洗涤的沉淀；经过所述干燥后形成羟基氧化铁纳米颗粒。

在另一个实施方式中，将羟基氧化铁纳米颗粒纳入壳聚糖/藻酸盐的混合物中以形成CHA颗粒的过程包括：在2wt.％的壳聚糖和0.5wt.％的藻酸钠的第一混合物中混合所述羟基氧化铁纳米颗粒，随后在搅拌条件下，将所述混合物逐滴地加入至0.5wt.％的氯化钙中，直至形成CHA颗粒。

附图说明

图1显示了羟基氧化铁(α-FeOOH)颗粒的花状或花状夹子的3D结构扫描电镜(SEM)图像。

图2是描绘羟基氧化铁(α-FeOOH)颗粒制作过程的流程图。

图3是描绘根据本发明一个实施方式的本发明的滤器元件制作过程的流程图。

具体实施方式

此处使用的术语“羟基氧化铁”可指“针铁矿”，其常以化学式α-FeOOH被用于所属技术领域中。

现将本发明当前的优选实施方式予以详细说明以解释发明的原理。对这些实施方式和实施例进行的详尽描述以使所属技术领域的技术人员可以实施本发明，同时应当理解到也可采用其他实施方式，并且在不脱离本发明精神的条件下下可以进行变化。

实施例

实施例1：常规滤器和本发明的滤器对各种污染物的去除百分率的比较

在这个实施例中，本发明要求保护的滤器重量为90g，其被配置以包含以下组分和重量比：活性炭(AC)：阳离子型离子交换树脂(IES)：阴离子型离子交换树脂(IES)：壳聚糖/羟基氧化铁/藻酸盐(CHA)颗粒＝25：41：17：17。为进行比较，使用的商业化水滤器，其重量也为90g，其中包含重量比为25：75的活性炭(AC)：离子交换树脂(IES)。150L含有不同污染物的水经过两种滤器过滤。滤液中不同污染物的初始浓度列于表1。

表1

污染物	浓度
		氯	0.34mg/L
碘	0.213mg/L
		苯	47μg/L
甲苯	49μg/L
		乙苯	44μg/L
铜	46μg/L
		镉	23μg/L
汞	5.2μg/L
		锌	40μg/L
铅	41μg/L
		大肠杆菌	1x10⁵/L

在这个实施例中通过本发明的滤器和常规的滤器去除的不同元素或试剂的百分率如表2所示。

表2

本滤器元件对重金属、VOC、放射性物质和细菌具有非常高的去除率。此外，流出液的pH不受滤器元件影响。在这个实施例中，本发明滤器元件的最大处理能力是40加仑(大约150L)，且在过滤处理该体积的水的过程中并没有观察到堵塞或者明显的流动速率缓慢。

实施例2：具有不同过滤组分重量比的本发明的滤器去除污染物百分率的比较

150L含有不同污染物的自来水经过三种滤器过滤。滤液中不同污染物的初始浓度列于表3。

表3

污染物	浓度(μg/L)
		Cd	2.4
Cu	3.4
		Pb	3.1
Zn	17.3
		Hg	1.6
同位素Ba	2.8
		同位素Sr	1.6

具有不同重量比的过滤组分的滤器去除不同的重金属或放射性污染物的百分率如表4所示。

表4

从表4可知，在本实施例的三个样本中，纳入了壳聚糖/羟基氧化铁/藻酸盐(CHA)颗粒的滤器对测试的重金属或放射性物质的具有最高去除百分率。仅纳入了活性炭和离子交换树脂的滤器具有最低的去除百分率，大约为具有CHA颗粒的滤器的去除百分率的三分之二到二分之一。在这个实施例中，具有CHA颗粒的滤器能够在3分钟内对1.5L的自来水实现有效去除。

图2说明了纳入到本发明滤器元件中的羟基氧化铁(α-FeOOH)颗粒是如何被制成的。首先制备水/甘油的混合物(201)。水和甘油的体积比为7:1。在一个实施方式中，制备含有35ml水和5ml甘油的混合物。一旦水/甘油的混合物形成，将硫酸亚铁(II)(FeSO₄·H₂O)溶解于该混合物中(202)。在一个实施方式中，将0.111g的硫酸亚铁(FeSO₄·H₂O)被溶解于从201获得的混合物中。加入FeSO₄·H₂O后，搅拌混合物约10分钟。然后将搅拌后的混合物转移至50ml的高压灭菌锅中(203)。混合物被加热至120℃并维持24小时(204)。收集从204中形成的沉淀，其为α-FeOOH沉淀。然后使用水/甘油洗涤收集的α-FeOOH沉淀(205)。经过水/甘油洗涤以后，α-FeOOH沉淀在60℃被干燥约1小时(206)。干燥以后，形成了羟基氧化铁的颗粒形式并可被使用/进一步处理(207)。

图3说明了本发明的羟基氧化铁(α-FeOOH)纳米颗粒如何被纳入壳聚糖-藻酸盐颗粒并与其它组分混合以形成本发明的滤器元件。根据图3所示的实施方式，将100mg制备好的羟基氧化铁(α-FeOOH)纳米颗粒在2wt.％的壳聚糖溶液中与0.5wt.％的藻酸钠溶液混合到一起，随后在搅拌的条件下将该混合物逐滴加入到0.5wt.％的氯化钙中(301)。活性炭、离子交换树脂和被纳入壳聚糖-藻酸盐颗粒的羟基氧化铁纳米颗粒(CHA颗粒)以所期望的重量比混合在一起(302)。根据实施例2的期望的重量比例是活性炭：阳离子型离子交换树脂：阴离子型离子交换树脂：CHA颗粒为25:41:17:17。将活性炭、阳离子和阴离子型离子交换树脂、以及CHA颗粒的混合物完全混合以形成滤器元件以后，将滤器元件加入到滤器外壳中(303)。滤器外壳可以是过滤柱，筒形容器，或其它形状的容器。然后将滤器元件用去离子水冲洗直至滤液变澄清(304)，然后滤器元件可以被使用。

工业实用性

本发明的滤器元件可被用于制造去除包括某些放射性物质在内的各种污染物的饮用水滤器。本发明的滤器元件可在家用级别使用，如必要的话也可以扩大到工业级别。

应当理解此处描述的方法可以不同的顺序实行，同时和/或与此处未提及但可被所属技术领域的技术人员容易想到的其它步骤组合以获得本发明的滤器介质。无需进一步阐述，确信所属技术领域的技术人员能够基于此处的描述，在不脱离本发明的精神情况下，修改本发明以及最大限度的利用本发明。本文引用的所有出版物的全部内容通过引用并入本申请。

Claims

1.一种用于消毒、清洁和净化家庭用水的滤器元件，其包含活性炭、离子交换树脂、生物聚合物和金属氧化物；所述的离子交换树脂包括阳离子型和阴离子型离子交换树脂；所述的生物聚合物为1μm到100μm的颗粒形式；所述的金属氧化物也为10nm到10μm的颗粒形式，并且所述金属氧化物通过原位处理被纳入到所述的生物聚合物颗粒以形成生物聚合物-金属氧化物颗粒；所述活性炭、阳离子型离子交换树脂、阴离子型离子交换树脂和所述生物聚合物-金属氧化物颗粒在所述滤器元件中的重量比为0-30:35-45:15-20:15-20，且所述活性炭的重量不为0，其中所述重量比使所述滤器元件具有可过滤150L家庭用水的最大容量。

2.根据权利要求1所述的滤器元件，其中所述阳离子型和阴离子型离子交换树脂包括强酸性树脂、弱酸性树脂、强碱性树脂、弱碱性树脂或其混合物。

3.根据权利要求1所述的滤器元件，其中所述生物聚合物包括一种或多种的纤维素、淀粉、角叉菜胶、壳聚糖、甲壳质和藻酸盐。

4.根据权利要求3所述的滤器元件，其中所述生物聚合物是水不溶性的和交联的，包含壳聚糖和藻酸盐，从而由于该壳聚糖和藻酸盐的正表面电荷或负表面电荷使得形成的所述生物聚合物颗粒具有抗菌性能及凝聚性能。

5.根据权利要求1所述的滤器元件，其中所述金属氧化物是过渡金属氧化物，包括羟基氧化铁、氧化铁和氧化铜。

6.根据权利要求1所述的滤器元件，其中待由所述滤器元件从水中去除的污染物包括重金属、挥发性有机化合物(VOC)、卤素、细菌和放射性物质。

7.根据权利要求6所述的滤器元件，其中所述重金属包括镉、铅、银、锌和铜。

8.根据权利要求6所述的滤器元件，其中所述VOC包括苯、甲苯和乙苯。

9.根据权利要求6所述的滤器元件，其中所述卤素包括氯。

10.根据权利要求6所述的滤器元件，其中所述细菌包括大肠杆菌。

11.根据权利要求6所述的滤器元件，其中所述放射性物质包括放射性的钡、锶和碘。

12.根据权利要求1所述的滤器元件，其中所述滤器元件的过滤速率是不超过3分钟过滤1.5L。

13.根据权利要求1所述的滤器元件，其中待通过所述滤器元件过滤的水污染物的去除百分率最高达99％。

14.一种包含权利要求1的滤器元件的家庭用水过滤系统。

15.一种制备权利要求1的滤器元件的方法，所述的方法包括：

(a)制备羟基氧化铁纳米颗粒；

(b)将从(a)获得的所述羟基氧化铁纳米颗粒纳入到壳聚糖和藻酸盐的第一混合物中，然后对其搅拌直至形成大量的壳聚糖/羟基氧化铁/藻酸盐-CHA颗粒；

(c)将从(b)获得的所述CHA颗粒与活性炭、离子交换树脂混合形成第二混合物；

(d)将从(c)获得的所述第二混合物加入滤器外壳中形成滤器元件；

(e)使用去离子水冲洗所述滤器元件直至滤液变澄清。

16.根据权利要求15所述的方法，其中(a)中所述的制备包括：将硫酸亚铁(II)溶解于体积比为7:1的水和甘油的混合物中，搅拌该混合物至少10分钟，然后转移该混合物到高压灭菌锅中加热至120℃维持24小时，收集加热过夜后形成的沉淀，以水和甘油的另一混合物冲洗所述沉淀，在60℃将洗涤过的沉淀干燥1小时，经过所述干燥后形成羟基氧化铁纳米颗粒，其中所述硫酸亚铁(II)为FeSO₄·H₂O。

17.根据权利要求15所述的方法，其中(b)中所述的纳入包括：在2wt.％的壳聚糖和0.5wt.％的藻酸钠的第一混合物中混合所述羟基氧化铁纳米颗粒，随后在搅拌条件下，将所得混合物逐滴加入至0.5wt.％的氯化钙中直至形成CHA颗粒。