CN104587748A - 用于去除饮用水中砷的过滤介质、滤芯以及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种去除饮用水中砷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、改性活性炭粉、沸石粉和发孔剂混合，得到混合物，所述超高分子量聚乙烯粉、改性活性炭粉、沸石粉和发孔剂的重量比为200～300:100～200:100～200:50～100；b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制、烧结、冷却；所述压制压力为0.4MPa～1.0MPa；所述烧结温度为220～240℃；所述烧结时间为90～120min；所述冷却温度为40～60℃。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砷的去除率高，方法简单，适用于受其污染的饮用水，使用简便，成本低。

Description

用于去除饮用水中砷的过滤介质、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砷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

研究调查表明，长期饮用含砷高的水会对人体皮肤、神经系统、肝脏、肾脏、生殖系统、呼吸、消化、心血管等造成伤害。有研究证明，砷可以引起致癌、致畸、致突变。砷被国际防癌研究机构与美国疾病与预防控制中心确定为第一类致癌物，属于世界卫生组织(WHO)优先控制污染物。三价砷的毒性大约是五价砷的60倍。三价砷的氧化物即为砒霜。

我国饮水型砷地方病的发病地区有台湾、新疆、云南、山西、内蒙、甘肃、宁夏、安徽、吉林、河北、青海和北京等地，共涉及约3000万人的饮水。GB5749-85规定饮用水中砷的浓度不超过0.05mg/L，GB5749-2001规定饮用水中砷的浓度不超过0.01mg/L，与美国、WHO的标准保持一致。

传统的水处理工艺对砷的处理效果不好，不能有效的去除砷；沉淀法去除砷会产生大量废渣，处理不好会引起二次污染；电絮凝法技术要求过高；离子交换方法繁琐，置换饱和后的冲洗水难以处理；虽然纳滤和反渗透法效果不错，但使用麻烦，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

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砷的去除率高，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砷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、改性活性炭粉、沸石粉和发孔剂混合，得到混合物，所述超高分子量聚乙烯粉、改性活性炭粉、沸石粉和发孔剂的重量比为200～300:100～200:100～200:50～100；

b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制、烧结、冷却；

所述压制压力为0.4MPa～1.0MPa；所述烧结温度为220～240℃；所述烧结时间为90～120min；所述冷却温度为40～60℃。

优选的，所述沸石粉为改性的沸石粉。

优选的，还包括叶腊石粉，所述叶腊石与所述超高分子量聚乙烯粉、改性活性炭粉、沸石粉和发孔剂的重量比为100～150:200～300:100～200:100～200:50～100。

优选的，还包括蛭石粉。

优选的，所述蛭石粉与所述超高分子量聚乙烯粉、改性活性炭粉、沸石粉和发孔剂的重量比为80～150:200～300:100～200:100～200:50～100。

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砷的过滤介质。

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砷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、改性活性炭粉、沸石粉和发孔剂混合，得到混合物，所述超高分子量聚乙烯粉、改性活性炭粉、沸石粉和发孔剂的重量比为200～300:100～200:100～200:50～100；b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制、烧结、冷却；所述压制压力为0.4MPa～1.0MPa；所述烧结温度为220～240℃；所述烧结时间为90～120min；所述冷却温度为40～60℃。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砷的去除率高，方法简单，适用于受其污染的饮用水，免除元素砷过多对人体产生的伤害，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砷的去除率在99.0％以上。

具体实施方式

本发明提供了一种去除饮用水中砷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、改性活性炭粉、沸石粉和发孔剂混合，得到混合物，所述超高分子量聚乙烯粉、改性活性炭粉、沸石粉和发孔剂的重量比为200～300:100～200:100～200:50～100；

b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制、烧结、冷却；

所述压制压力为0.4MPa～1.0MPa；所述烧结温度为220～240℃；所述烧结时间为90～120min；所述冷却温度为40～60℃。

本发明首先将超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、沸石粉和发孔剂混合，得到混合物，所述超高分子量聚乙烯粉、改性活性炭粉、沸石粉和发孔剂的重量比为200～300:100～200:100～200:50～100；优选为210～290:110～190:110～190:60～90；更优选为220～280:120～180:120～180:65～85。

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300万～400万。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，可以起到吸附水中砷的作用。

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，优选使用粒径为74～84μm的医用活性炭。

本发明优选对所述活性炭进行改性处理，具体为采用十六烷基三甲基氯化铵做改性剂对活性炭进行改性处理。经过改性后的活性炭对于砷具有较好的吸附能力。

沸石是含水多硅酸盐的总称，其结晶结构主要是由硅氧四面体构成，其中部分四价硅离子被三价硅离子取代，导致负电荷过剩，因此结构中有碱金属(或碱土金属)等平衡电荷的离子，同时沸石架构中有一定孔径的孔腔和孔道，决定了其具有吸附、离子交换等性质。在本发明中，沸石粉优选为经过改性的沸石粉，具体为：将天然沸石用去离子水清洗干净，烘干、称取一定质量的沸石，浸泡在一定浓度的改性剂中，充分搅拌不少于两小时，中和后过滤，用去离子水清洗干净，烘干备用。本发明所述沸石优选为斜发沸石。

本发明优选对所述斜发沸石进行改性，所述改性剂优选为十六烷基三甲基溴化铵。采用改性剂对沸石进行改性处理的时间通常优选不少于2小时，更优选不少于4小时。

经过改性处理的沸石，可除去矿物中所含的杂质和可溶物，在矿物结构中刻蚀出丰富的孔隙和孔腔，增大其表面积，从而提高沸石的吸附、离子交换等性质。改性后的沸石通过物理吸附和化学吸附可以进一步提高对砷的吸附能力。所述沸石的粒径优选为44～124μm，更优选为54～114μm。

本发明采用特定粒径的改性沸石粉和改性活性炭粉对砷进行吸附效果好，粒径过大或过小均会影响吸附、过滤效果、堵塞孔隙和孔道。本发明优选所述粒径差值不大于50％的情况下会有好的效果。

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、碳酸氢砷、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、沸石粉和发孔剂共同烧结后的相互作用，共同使得对于饮用水中的砷的去除率高，效果好。

在本发明中，优选还包括叶腊石粉，所述叶腊石粉与所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、沸石粉和发孔剂的重量比优选为100～150:200～300:100～200:100～200:50～100；更优选为110～140:210～290:110～190:110～190:60～90；最优选为120～130:220～280:120～180:120～180:65～85。

在本发明中，叶腊石是黏土矿物的一种，属结晶结构为2：1型的层状含水铝硅酸盐矿物。化学结构式为Al₂【Si₄O₁₀(OH)₂。叶腊石质地细腻，硬度低(1-2)。叶蜡石是含水铝硅酸盐，主要由石英、高岭土、绢云母组成。叶腊石来源极其丰富、价廉、吸附性能好且具有良好的矿化性、生物活性。

在本发明中，通过上述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、沸石粉和发孔剂、叶腊石粉的相互配合和相互作用，共同使得对于饮用水中砷的去除率高，效果更好。本发明优选叶腊石的粒径为61μm～89μm。

在本发明中，优选还包括蛭石粉，蛭石粉与所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、阳离子交换树脂、沸石分子筛粉、发孔剂的重量比为80～150:200～300:100～200:100～200:50～100；更优选为90～140:210～290:110～190:110～190:60～90；最优选为100～130:220～280:120～180:120～180:65～85。

在本发明中，蛭石是一种天然、无毒的矿物质，在高温作用下会膨胀。蛭石粉由蛭石原矿经高温焙烧、筛选、研磨加工成粉末状。蛭石粉颗粒中含油很多毛细孔，具有很大的比表面积，具有多种用途，可用作建筑材料，防火绝缘材料等。发明人经创造性的研究发现，蛭石粉用于吸附饮用水中的甲醛具有良好的效果。优选的，本发明所述的蛭石粉的粒径为44μm～74μm。

在本发明中，通过上述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、沸石粉、发孔剂、蛭石粉的相互配合和相互作用，共同使得对于饮用水中的砷的去除率高，效果好。并且上述物质和叶腊石粉的相互配合和相互作用更能提高水中砷的去除率。

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，水中的砷可以被充分吸附。

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，最优选为0.4MPa～1.0MPa，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。烧结温度优选为200℃～300℃，更优选为220℃～240℃；烧结时间为90分钟～120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220℃～240℃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砷的滤芯。

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砷的去除率高，方法简单，适用于受其污染的饮用水，免除元素砷对人体产生的伤害，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砷的去除率在99.0％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砷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-I型产品，其分子量为150万；

(2)称取十六烷基三甲基氯化铵改性的粒径为74μm的医用活性炭粉100g，所述医用活性炭的比表面积为800m²/g；

(3)称取十六烷基三甲基溴化铵改性的粒径为60μm沸石粉100g；

(4)称取发孔剂50g；

(5)将上述四种粉末放入机械搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；

(6)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220℃温度下烧结120分钟；

(7)自然冷却至60℃然后用硅氧烷油脱模剂脱模，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250g，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)称取十六烷基三甲基氯化铵改性的粒径为80μm的医用活性炭粉150g，所述医用活性炭的比表面积为1500m²/g；

(3)称取十六烷基三甲基溴化铵改性的粒径为80μm的沸石粉150g；

(4)称取发孔剂75g；

(5)将上述四种粉末放入螺旋式搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；

(6)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230℃温度下烧结110分钟；

(7)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)称取十六烷基三甲基氯化铵改性的粒径为84μm医用活性炭粉200g，所述医用活性炭的比表面积为1200m²/g；

(3)称取十六烷基三甲基溴化铵改性的粒径为90μm沸石粉200g；

(4)称取发孔剂100g；

(5)将上述四种粉末放入螺旋式搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；

(6)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240℃温度下烧结100分钟；

(7)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250g，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)称取十六烷基三甲基氯化铵改性的粒径为80μm的医用活性炭粉150g，所述医用活性炭的比表面积为1500m²/g；

(3)称取十六烷基三甲基溴化铵改性的粒径为80μm的沸石粉150g；

(4)称取发孔剂75g；

(5)称取粒径为80μm的叶腊石粉120g；

(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230℃温度下烧结110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5

(1)称取超高分子量聚乙烯粉250g，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)称取十六烷基三甲基氯化铵改性的粒径为80μm的医用活性炭粉150g，所述医用活性炭的比表面积为1500m²/g；

(3)称取十六烷基三甲基溴化铵改性的粒径为80μm的沸石粉150g；

(4)称取发孔剂75g；

(5)称取粒径为70μm的蛭石粉120g；

(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230℃温度下烧结110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6

(1)称取超高分子量聚乙烯粉250g，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)称取十六烷基三甲基氯化铵改性的粒径为80μm的医用活性炭粉150g，所述医用活性炭的比表面积为1500m²/g；

(3)称取十六烷基三甲基溴化铵改性的粒径为80μm的沸石粉150g；

(4)称取发孔剂75g；

(5)称取粒径为80μm的叶腊石粉120g；

(6)称取粒径为70μm的蛭石粉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0.6MPa的液压压力下压制，在230℃温度下烧结110分钟；

(9)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1

(1)称取超高分子量聚乙烯粉250g，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)称取十六烷基三甲基氯化铵改性的粒径为80μm的医用活性炭粉150g，所述医用活性炭的比表面积为1500m²/g；

(3)称取发孔剂75g；

(4)将上述三种粉末放入螺旋式搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；

(5)将混合后的粉末装填入管状模具中，在0.6MPa的液压压力下压制，在230℃温度下烧结110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250g，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)称取十六烷基三甲基溴化铵改性的粒径为80μm的沸石粉150g；

(3)称取发孔剂75g；

(4)将上述三种粉末放入螺旋式搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；

(5)将混合后的粉末装填入管状模具中，在0.6MPa的液压压力下压制，在230℃温度下烧结110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。

实施例7

取实施例1～6以及比较例1～2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砷的去除效果好。如表1所示，为采用实施1～6以及比较例1～2提供的滤芯对饮用水处理前后的砷的含量。

表1使用滤芯处理前后水中的砷含量，单位：mg/L

从表1可以看出，利用本发明的滤芯去除水中的砷取得了很好的效果，去除率在99.0％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砷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砷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、改性活性炭粉、沸石粉和发孔剂混合，得到混合物，所述超高分子量聚乙烯粉、改性活性炭粉、沸石粉和发孔剂的重量比为200～300:100～200:100～200:50～100；

b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制、烧结、冷却；

所述压制压力为0.4MPa～1.0MPa；所述烧结温度为220～240℃；所述烧结时间为90～120min；所述冷却温度为40～60℃。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述沸石粉为改性的沸石粉。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括叶腊石粉，所述叶腊石与所述超高分子量聚乙烯粉、改性活性炭粉、沸石粉和发孔剂的重量比为100～150:200～300:100～200:100～200:50～100。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括蛭石粉。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述蛭石粉与所述超高分子量聚乙烯粉、改性活性炭粉、沸石粉和发孔剂的重量比为80～150:200～300:100～200:100～200:50～100。

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砷的过滤介质。

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。