CN105854417B - 一种活性过滤介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种活性过滤介质，由细砂和椰糠、炉渣、树皮堆肥、生物炭、碎木屑、生态麻纤维以及碳纳米管中的至少三种组成，且当包含碳纳米管时，该碳纳米管占活性过滤介质总质量的1/10000～1/5000；还涉及该活性过滤介质的制备方法。与传统的过滤介质相比，该活性过滤介质对水体中的Zn、Pb、Cu等重金属离子、NH3‑N、TN、TP、TSS及浑浊度均具有良好的去除效果。此外，本发明在该活性过滤介质的制备过程中加入表面活性剂，不仅利于碳纳米管嫁接至过滤材料表面，同时也可增加过滤介质的比表面积，增强其吸附能力。

Description

一种活性过滤介质
技术领域
本发明涉及水处理领域，尤其涉及一种用于水处理的活性过滤介质。
背景技术
过滤是水处理领域中常用的工艺手段，是一种利用多孔介质(即过滤介质)对悬浮液进行分离的操作。过滤操作时，在外力作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道流出，固体颗粒被截留，从而实现分离。传统的水处理中一般采用无机材料作为过滤介质，如活性炭、海砂、石英砂等，如专利号为ZL201110162582.X(授权公告号为CN 1022941149B)的中国发明专利《用于去除饮用水中溴酸盐的过滤介质及其制备方法》中公开了一种过滤介质，其包括活性炭粉、超高分子量聚乙烯粉、天然锰钾矿份和发孔剂。传统的过滤介质虽然对浊度的去除率较高，但对Zn、Pb、Cu等重金属的去除率均较低，NH3-N、TN、TP的去除率一般只有30％左右。可见，现有用于水处理的过滤介质还有待改进。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术而提供一种过滤效果更好的活性过滤介质。
本发明所要解决的第二个技术问题是针对现有技术而提供一种上述活性过滤介质的制备方法。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种活性过滤介质，其特征在于，由细砂和椰糠、炉渣、树皮堆肥、硬木锯末、生物炭、碎木屑、生态麻纤维以及碳纳米管中的至少三种组成，且当包含碳纳米管时，该碳纳米管占活性过滤介质总质量的1/10000～1/5000。
所述活性过滤介质由细砂、椰糠、炉渣、树皮堆肥、硬木锯末、生物炭、碎木屑、生态麻纤维以及碳纳米管组成，且细砂、椰糠、炉渣、树皮堆肥、硬木锯末、生物炭、碎木屑以及生态麻纤维的质量比为5～6:2～3:1～1.5:1～2:1～1.5:1～1.5:1～2:2～3。
上述技术方案中细砂能过滤水体中的悬浮物，具体作用过程如下：在压力差的作用下，悬浮液中的液体透过可渗性细砂，固体悬浮颗粒被过滤介质截留，从而实现液体和固体的分离。
椰糠具有保温、保湿、疏松、透气的作用，对水体中的Cd、Cu、Hg及Pb具有较好的吸附效果。此外，椰糠中各成分的质量分数为：水分15.37％，灰分6.19％，纤维素24.15％，戊聚糖27.31％，糖醛17.40％，木质素54.78％，氮0.3％等。
炉渣对污染物表现出一定的吸附活性，尤其是飞灰中未燃碳对汞有较强的吸附能力，其中烟煤飞灰的吸附能力达到8～10ug/g，本发明中的炉渣对水体中的Cd、Cu、Hg及Pb具有较好的吸附效果。
树皮中富含木质素与丹宁酸，而丹宁酸中多羟基酚为吸附过程中的活性组分。本发明中的树皮堆肥，在金属阳离子取代相邻的羟基酚时，发生离子交换作用而形成螯合物，因此对水体中的Cd、Cu、Hg及Pb具有较好的吸附效果。同时，树皮堆肥是很好的微生物菌剂吸附载体，可以对水体中的有益菌种进行挂膜，此外，树皮堆肥可以对水体起到缓冲的作用。
硬木锯末具有纤维素、木质素含量高，密度中等且易于浸渍等特点，其富含木质素与丹宁酸，丹宁酸中多羟基酚是吸附过程中的活性组分，因此当金属阳离子取代相邻的羟基酚时，发生离子交换作用而形成螯合物，有利于其对水中重金属离子的吸附反应，本发明中的硬木锯末对水体中的Cd、Cu、Hg、Zn及Pb均具有较好的吸附效果，尤其是对Pb和Zn。
生物炭由缺氧或厌氧条件下，通过高温裂解将木材、草、玉米杆或其他农作物废物碳化，固定碳元素形成。生物炭富含微孔，有较高的比表面积，可以吸附重金属和有机物，对水体中的重金属Cd、Cu、Hg、Pb以及难降解有机污染物PAH、PCB、苯系物、邻苯二甲酸酯类等均具有很好的吸附性能。
碎木屑由于其本身含有大量羟基、羧基等官能团，是一种性能优良的生物吸附剂，可用于吸附水中的重金属离子或难降解有机废水等水体污染物，其中对阳离子有较好的吸附作用，尤其为Cu、Cr、Ni、Pb、Hg、Zn等重金属离子有较好的吸附作用。
生态麻纤维是指从各种麻类植物取得的纤维，包括一年生或多年生草本双子叶植物皮层的韧皮纤维和单子叶植物的叶纤维，其中韧皮纤维作物主要有苎麻、黄麻、青麻、大麻、亚麻、罗布麻和槿麻等。生态麻纤维的网织结构可对水体中的微小元素进行过滤截留，具有蓄水性强、使用寿命长、不易受病虫害侵害等优点。
碳纳米管有很大的比表面积，容易嫁接在过滤材料表面，从而增大过滤材料的吸附能力；此外，碳纳米管对有机物等污染物有很好的吸附性，可以很好的吸附去除水体中的有机物污染物质。
作为优选，所述细砂粒径为1～6mm，该设置下的细砂粒径小、比表面积大，能更好地截留水体中的悬浮物；炉渣的粒径为10～20mm，椰糠和树皮堆肥的粒径均为20～30mm，硬木锯末、生物炭及碎木屑的粒径均为15～20mm，生态麻纤维的粒径为50～100mm，碳纳米管的粒径为300～500nm。上述介质原料的粒径设置，可使各原料在过滤介质中形成动态分布，从而在发挥各原料自身功能的基础上，能更好地协同滤水。
作为优选，所述碳纳米管为多壁碳纳米管，多壁碳纳米管表面活泼，结合有大量的表面基团，从而能更好地与其他介质材料嫁接，并且能获得更好的吸附能力。
本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：上述活性过滤介质的制备方法包括以下步骤：首先将细砂洗净、风干并破碎至粒径为1～6mm备用，接着将各其他原料分别破碎至上述粒径小大，然后将各原料混合而形成过滤材料，最后将该过滤材料投入置有表面活性剂的水中，搅拌均匀，待水体变澄清后，倒掉上清液体，即得所需的活性过滤介质；
或者，首先将细砂洗净、风干并破碎至粒径为1～6mm备用；接着分别将炉渣破碎至粒径为10～20mm，椰糠和树皮堆肥破碎至粒径为20～30mm，硬木锯末、生物炭及碎木屑破碎至粒径为15～20mm，生态麻纤维破碎至粒径为50～100mm；按质量比5～6:2～3:1～1.5:1～2:1～1.5:1～1.5:1～1.5:2～3将细砂、椰糠、炉渣、树皮堆肥、硬木锯末、生物炭、碎木屑及生态麻纤维混合均匀而形成过滤材料，接着将过滤材料投入置有表面活性剂的水中，搅拌均匀后投入碳纳米管继续搅拌，待水体变澄清后，倒掉上清液体，即得所需的活性过滤介质。
进一步，作为优选，所述表面活性剂在水中的浓度为1～10g/L。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的活性过滤介质由多种具有不同特点的无机介质和有机介质按一定比例优化组合而成，其中细砂对水体中的悬浮物具有较好的过滤效果，椰糠、炉渣、树皮堆肥、硬木锯末、生物炭、碎木屑等对水体中的重金属离子具有较好的过滤效果，此外，生态麻纤维对水体中的微小元素具有良好的过滤截留作用，碳纳米管能嫁接在上述材料表面，从而增强过滤介质的吸附能力；与传统的过滤介质相比，该活性过滤介质对水体中的Zn、Pb、Cu等重金属离子的去除效率达80％～90％，对NH3-N、TN、TP、TSS、浑浊度的去除效率分别可达60％-80％、60％-70％、60％～70％、70％～80％、75％～85％，具有优越的过滤效果。
此外，本发明在该活性过滤介质的制备过程中加入表面活性剂，不仅利于碳纳米管嫁接至过滤材料表面，同时也可增加过滤介质的比表面积，增强其吸附能力。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：活性过滤介质的制备
(1)将细砂洗净、风干并破碎至粒径为2mm备用；
(2)分别将炉渣破碎至粒径为10mm，椰糠破碎至粒径为20mm，生态麻纤维破碎至粒径为50mm；
(3)按质量比5:2:1:2将破碎后的细砂、椰糠、炉渣及生态麻纤维混合均匀而形成过滤材料；
(4)将过滤材料投入浓度为2g/L的十二烷基三甲基溴化铵水溶液中，搅拌均匀后，待水体变澄清后，倒掉上清液体，即得所需的活性过滤介质。
实施例2：活性过滤介质的制备
(1)将细砂洗净、风干并破碎至粒径为1mm备用；
(2)分别将炉渣破碎至粒径为10mm，椰糠和树皮堆肥破碎至粒径为20mm，硬木锯末、生物炭及碎木屑破碎至粒径为15mm，生态麻纤维破碎至粒径为50mm；
(3)按质量比5:2:1:1:1:1:1:2将破碎后的细砂、椰糠、炉渣、树皮堆肥、硬木锯末、生物炭、碎木屑及生态麻纤维混合均匀而形成过滤材料；
(4)将过滤材料投入浓度为1g/L的十二烷基三甲基溴化铵水溶液中，搅拌均匀后投入上述过滤材料总质量1/10000的多壁碳纳米管继续搅拌，待水体变澄清后，倒掉上清液体，即得所需的活性过滤介质。
本实施例中使用的多壁碳纳米管为CNT103(北京德科岛金科技有限公司生产)，其粒径为300～500nm，下同。
实施例3：活性过滤介质的制备
(1)将细砂洗净、风干并破碎至粒径为6mm备用；
(2)分别将炉渣破碎至粒径为20mm，椰糠和树皮堆肥破碎至粒径为30mm，硬木锯末、生物炭及碎木屑破碎至粒径为20mm，生态麻纤维破碎至粒径为100mm；
(3)按质量比6:3:1.5:2:1.5:1.5:1.5:3将破碎后的细砂、椰糠、炉渣、树皮堆肥、硬木锯末、生物炭、碎木屑及生态麻纤维混合均匀而形成过滤材料；
(4)将过滤材料投入浓度为10g/L的十四烷基三甲基溴化铵水溶液中，搅拌均匀后投入上述过滤材料总质量1/5000的多壁碳纳米管继续搅拌，待水体变澄清后，倒掉上清液体，即得所需的活性过滤介质。
实施例4：活性过滤介质的制备
(1)将细砂洗净、风干并破碎至粒径为2mm备用；
(2)分别将炉渣破碎至粒径为15mm，椰糠和树皮堆肥破碎至粒径为25mm，硬木锯末、生物炭及碎木屑破碎至粒径为17mm，生态麻纤维破碎至粒径为75mm；
(3)按质量比6:2.5:1.5:2:1.5:1.5:1.5:3将破碎后的细砂、椰糠、炉渣、树皮堆肥、硬木锯末、生物炭、碎木屑及生态麻纤维混合均匀而形成过滤材料；
(4)将过滤材料投入浓度为6g/L的十六烷基三甲基溴化铵水溶液中，搅拌均匀后投入上述过滤材料总质量1/10000的多壁碳纳米管继续搅拌，待水体变澄清后，倒掉上清液体，即得所需的活性过滤介质。
实施例5：活性过滤介质的制备
(1)将细砂洗净、风干并破碎至粒径为4mm备用；
(2)分别将炉渣破碎至粒径为10mm，椰糠和树皮堆肥破碎至粒径为20mm，硬木锯末、生物炭及碎木屑破碎至粒径为20mm，生态麻纤维破碎至粒径为100mm；
(3)按质量比5:2:1.5:1:1.5:1.5:2:2将破碎后的细砂、椰糠、炉渣、树皮堆肥、硬木锯末、生物炭、碎木屑及生态麻纤维混合均匀而形成过滤材料；
(4)将过滤材料投入浓度为10g/L的十二烷基三甲基溴化铵水溶液中，搅拌均匀后投入上述过滤材料总质量1/5000的多壁碳纳米管继续搅拌，待水体变澄清后，倒掉上清液体，即得所需的活性过滤介质。
对比例1：
(1)将细砂洗净、风干并破碎至粒径为6mm备用；
(2)将炉渣、椰糠、树皮堆肥、硬木锯末、生物炭、碎木屑、生态麻纤维均破碎至粒径为6mm；
(3)按质量比5:2:1.5:1:1.5:1.5:2:2将破碎后的细砂、椰糠、炉渣、树皮堆肥、硬木锯末、生物炭、碎木屑及生态麻纤维混合均匀而形成过滤材料；
(4)将过滤材料投入浓度为10g/L的十二烷基三甲基溴化铵水溶液中，搅拌均匀后投入上述过滤材料总质量1/5000的多壁碳纳米管继续搅拌，待水体变澄清后，倒掉上清液体，即得所需的过滤介质。
对比例2：
(1)将细砂洗净、风干并破碎至粒径为2mm备用；
(2)分别将炉渣破碎至粒径为15mm，椰糠和树皮堆肥破碎至粒径为25mm，硬木锯末、生物炭及碎木屑破碎至粒径为17mm，生态麻纤维破碎至粒径为75mm；
(3)按质量比6:2.5:1.5:2:1.5:1.5:1.5:3将破碎后的细砂、椰糠、炉渣、树皮堆肥、硬木锯末、生物炭、碎木屑及生态麻纤维混合均匀而形成过滤材料；
(4)将过滤材料投入水溶液中，搅拌均匀后投入上述过滤材料总质量1/10000的多壁碳纳米管继续搅拌，待水体变澄清后，倒掉上清液体，即得所需的过滤介质。
对比例3：
传统的过滤介质，该过滤介质由细砂和生物炭以质量比2:1组成，其中细砂和生物炭的粒径均为5mm。
实施例6：
取实施例1～5以及比较例1～3中制备的过滤介质，外部包括无纺布，用于处理富营养化的河水样品。各过滤介质处理的水样中Zn、Pb、Cu等重金属离子、NH3-N、TN、TP、TSS、浑浊度的去除率如表1所示。
表1为各实施例和比较例中制备的过滤介质对水样的处理效果
重金属离子 NH3-N TN TP TSS 浑浊度
实施例1 80％ 60％ 60％ 60％ 70％ 75％
实施例2 83％ 70％ 61％ 61％ 75％ 85％
实施例3 82％ 63％ 63％ 64％ 72％ 80％
实施例4 86％ 69％ 65％ 69％ 77％ 76％
实施例5 90％ 80％ 70％ 70％ 80％ 75％
对比例1 70％ 55％ 45％ 43％ 64％ 70％
对比例2 67％ 50％ 50％ 40％ 55％ 66％
对比例3 33％ 45％ 40％ 35％ 43％ 70％
由表1可见，与传统过滤介质相比，本发明中的活性过滤介质能有效去除水样的污染物，其中对水体中Zn、Pb、Cu等重金属离子的去除效率达80％～90％，对NH3-N、TN、TP、TSS、浑浊度的去除效率分别可达60％-80％、60％-70％、60％～70％、70％～80％、75％～85％，各指标均显著优于传统过滤介质。进一步，由对比例1可见，本发明中的各种介质原料的粒径设置，可使各原料在过滤介质中形成动态分布，从而在发挥各原料自身功能的基础上，能更好地协同滤水；由对比例2可见，在该活性过滤介质的制备过程中加入表面活性剂，不仅利于碳纳米管嫁接至过滤材料表面，同时也可增加过滤介质的比表面积，增强其吸附能力。

Claims (8)

1.一种活性过滤介质，其特征在于，所述活性过滤介质由细砂、椰糠、炉渣、树皮堆肥、生物炭、碎木屑、生态麻纤维以及碳纳米管组成，且细砂、椰糠、炉渣、树皮堆肥、生物炭、碎木屑以及生态麻纤维的质量比为5～6:2～3:1～1.5:1～2:1～1.5:1～2:2～3，上述碳纳米管占活性过滤介质总质量的1/10000～1/5000。
2.如权利要求1所述的活性过滤介质，其特征在于，所述细砂粒径为1～6mm，炉渣的粒径为10～20mm，椰糠和树皮堆肥的粒径均为20～30mm，生物炭及碎木屑的粒径均为15～20mm，生态麻纤维的粒径为50～100mm，碳纳米管的粒径为300～500nm。
3.如权利要求1所述的活性过滤介质，其特征在于，所述碳纳米管为多壁碳纳米管。
4.如权利要求1所述的活性过滤介质，其特征在于，所述碎木屑包括硬木锯末。
5.一种如权利要求2所述的活性过滤介质的制备方法，其特征在于包括以下步骤：首先将细砂洗净、风干并破碎至粒径为1～6mm备用，接着将各其他原料分别破碎至上述粒径小大，然后将各原料混合而形成过滤材料，最后将该过滤材料投入置有表面活性剂的水中，搅拌均匀，待水体变澄清后，倒掉上清液体，即得所需的活性过滤介质；
或者，首先将细砂洗净、风干并破碎至粒径为1～6mm备用；接着分别将炉渣破碎至粒径为10～20mm，椰糠和树皮堆肥破碎至粒径为20～30mm，生物炭及碎木屑破碎至粒径为15～20mm，生态麻纤维破碎至粒径为50～100mm；按质量比5～6:2～3:1～1.5:1～2:1～1.5:1～1.5:2～3将细砂、椰糠、炉渣、树皮堆肥、生物炭、碎木屑及生态麻纤维混合均匀而形成过滤材料，接着将过滤材料投入置有表面活性剂的水中，搅拌均匀后投入碳纳米管继续搅拌，待水体变澄清后，倒掉上清液体，即得所需的活性过滤介质。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂为十二烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基溴化铵及十六烷基三甲基溴化铵中的至少一种。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂在水中的浓度为1～10g/L。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管为多壁碳纳米管。
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