CN106699223A - 陶瓷净水滤芯及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种陶瓷净水滤芯及其制备方法，解决了陶瓷滤芯机械强度低的问题，其技术方案要点是：该滤芯由以下组分组成，各组分以及各组分的质量份数为：改性硅藻土50~65份、改性凹凸棒土40~50份、改性粘土10~20份、分子筛原粉10~20份、氧化铝10~15份、纳米氧化锌10~15份、造孔剂5~10份、膨润土7~10份，达到了保证滤芯的过滤精度的同时，提高滤芯的机械强度。

Description

陶瓷净水滤芯及其制备方法
技术领域
本发明涉及净水滤芯领域，特别涉及陶瓷净水滤芯及其制备方法。
背景技术
随着经济的发展，人们对生活质量的要求越来越高，尤其是对水质的要求，水乃生命之源，与人们的健康息息相关。但是由于工业的迅猛发展和矿业的大力开发，全国大部分地表水源水质呈不断恶化的趋势。在家用水龙头的下方安装过滤器，可以有效地拦截细菌和吸附水中残留的有机物、重金属离子，改善饮用水的质量和口感，并且保留了人体必须的微量元素。
陶瓷滤芯作为一种以硅藻土作为主要原料，经过高温烧结而成型多孔过滤产品，由于其孔径尺寸稳定，不会因使用时间增加导致滤孔影响过滤效果，因此被广泛地应用在生活用水的净化上。
由于陶瓷滤芯属于过滤产品，就要求其表面必须布满孔隙，陶瓷在烧制过程中孔隙会发生多少变化，因此需要极其严格地把控烧制的时间。为防止陶瓷烧制致密度过高，一般陶瓷滤芯的烧制时间都不会太长，但是由于烧制时间过短，会导致滤芯的机械强度十分低，原料结合度差，十分容易碎裂，导致滤芯无法使用。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种陶瓷净水滤芯，在保证滤芯的过滤精度的同时，提高滤芯的机械强度。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种陶瓷净水滤芯，该滤芯由以下组分组成，各组分以及各组分的质量份数为：改性硅藻土50～65份、改性凹凸棒土40～50份、改性粘土10～20份、分子筛原粉10～20份、氧化铝10～15份、纳米氧化锌10～15份、造孔剂5～10份、膨润土7～10份。
通过采用上述技术方案，基于硅藻土孔隙度大、吸附能力强、化学性质稳定，可作为陶瓷滤芯的基体，结合其他滤料，滤除水体中的不溶性杂质、悬浮胶体粒子、重金属离子、细菌等有害物质，经过改性的硅藻土，较普通硅藻土在微孔的排序更加有序、孔隙分布更均匀、化学性质更加稳定；凹凸棒土比表面积大、化学性质稳定、吸附能力强，也是一种优质的滤料成分，但其颗粒细微、孔隙率小，难以与吸附的污染物分离，改性凹凸棒土与之相较，孔隙率增大、堆积结构更为松散，不易出现被粘结剂覆盖造成孔隙堵塞的情况；粘土具有絮凝沉降水体中的胶体粒子的效果，改性粘土较普通粘土表面能更低，有利于在原料搅拌过程中，粘土能均匀地分散至原料中，同时，经过改性的粘土，烧制过程中的膨胀率和冷却过程中的缩膨率都有一定的下降，减少了滤芯烧制过程中由形变造成的机械强度下降；分子筛原粉质量稳定、结晶度高，具有较大的吸附容量，可用于吸附溶解于水体中的有害气体；在陶瓷滤芯中添加氧化铝，有利于陶瓷滤芯亲水性的提升，提升陶瓷滤芯的过滤速度；纳米氧化锌可用去除水体中菌群，使过滤水中不会有残留如大肠杆菌、霉菌、金黄色葡萄球菌等有害菌群，减少水体中所含菌群量，使人们的健康得到保障,粘土晶体中水分子快速流动导致粘土矿物水化膨胀和分散运移，造成孔隙堵塞，减低了过水速度，以膨润土作为稳定剂，膨润土减少粘土膨胀率和缩膨率的同时，膨润土本身也是一种净水材料，可以吸附水中的重金属等污染物。
作为优选，所述造孔剂由木炭粉和纳长石组成，其各组分的质量比为木炭粉：钠长石＝4:3。
通过采用上述技术方案，由木炭粉与纳长石组成的造孔剂，可以使孔径呈现不规则形，使水体与滤芯的接触更加充分，提升过滤效果，同时，可以增加滤芯中的有效孔隙，减少造成无法过水且会导致滤芯机械强度降低的盲孔等孔隙的存在。
本发明的第二个目的是提供一种陶瓷净水滤芯的制备方法，提高陶瓷滤芯在制造过程中的成品率。
一种陶瓷净水滤芯的制备方法，包括如下步骤：
(1)将下列材料按对应质量分数添加到球磨机内：改性硅藻土50～65份、改性凹凸棒土40～50份、改性粘土10～20份、分子筛原粉10～20份、氧化铝10～15份、纳米氧化锌10～15份、造孔剂5～10份、膨润土7～10份，然后添加PEG 5～10份，添加质量为上述配料总质量2倍的水，经球磨2h后，添加稳定剂5～10份、分散剂3～7份、聚乙烯醇1～3份、消泡剂3～5份到球磨机筒内，继续球磨10h，得到陶瓷原浆；
(2)将步骤(1)所得陶瓷原浆通过压力注浆至石膏模具，得到成型坯体；
(3)将步骤(2)所得成型坯体烘干后，进行脱模，得到滤芯生坯；
(4)将步骤(3)所得滤芯生坯在烧窑中1150℃～1250℃烧成，得到滤芯成品。
通过采用上述技术方案，按上述步骤所得到的滤芯成品，成品率提高，减少了由于生产工艺导致的滤芯表面出现层裂的情况，提高了生产质量和生产效率，由于陶瓷滤芯的孔隙率大，烧制时间较一般瓷器而言更短，添加PEG可以增加陶瓷滤芯的机械强度，在运输使用过程中，不易碎裂；通过添加造孔剂，可以增加陶瓷滤芯的孔隙率，增加滤芯的过滤效率；由于烧制陶瓷滤芯所需的原料特别是改性粘土在烧制过程中会发生膨胀及缩膨的情况，通过添加稳定剂，可以减少陶瓷滤芯在烧制过程中的膨胀率和缩膨率；通过添加分散剂使原来的混合更加均匀，通过添加聚乙烯醇减少原料在混合过程中发生絮凝导致烧制使壁厚及各处密度布依族的情况发生；由于添加PEG，球磨过程中会产生大量气泡，通过添加消泡剂减少气泡的产生，防止由于在烧制过程中，由于气泡过多而造成孔径过大过滤精度低的情况。
作为优选，所述稳定剂及其质量份数为聚季铵盐5～8份。
通过采用上述技术方案，聚季铵盐作为稳定剂，正电的聚季铵盐和带负电的粘土之间的静电吸引使聚季铵盐易被粘土吸附，吸附生成的电荷中和降低了粘土的离子交换能力，所以粘土不再因吸附水合阳离子而发生膨胀，相较于一般稳定剂，聚季铵盐的防膨效果更好。
作为优选，所述聚季铵盐的最大特征粘数为13.50～15.00mL/g。
通过采用上述技术方案，最大特征粘数为13.50～15.00mL/g的聚季铵盐相对聚合度较低，在防膨和缩膨效果上相较于一般的无机粘土稳定剂和高聚季铵盐更佳。
作为优选，所述分散剂为纳米CaCO3或纳米Na2CO3。
通过采用上述技术方案，纳米CaCO3或纳米Na2CO3除了具有良好的分散性之外，还具有加固补强的效果，提高陶瓷滤芯的机械强度。
作为优选，所述消泡剂由正丁醇和乙二醇组成，其各组分的质量比为3:4。
通过采用上述技术方案，由正丁醇和乙二醇组成的消泡剂，可去除球磨过程中产生的大量气泡，气泡的去除率达到90％，在烧制过程中，不会由于气泡过多而造成孔径过大过滤精度低的情况发生。
作为优选，所述步骤(1)所得陶瓷原浆在压力注浆之前泥浆细度达到250目筛余≤1％。
通过采用上述技术方案，细度达到250目筛余≤1％的泥浆混合度良好，在烧制过程中不会出现由于原料分散不均匀导致的层裂现象。
作为优选，所述步骤(2)中的烘干温度为70℃～85℃，烘干后滤芯生坯的残余水分＜0.7％。
通过采用上述技术方案，烘干温度保持在70℃～85℃，在烘干过程中，不会由于滤芯生坯内水沸腾导致滤芯生坯内孔隙增大的情况发生。
作为优选，所述步骤(4)中烧窑预热至70℃～85℃后放入滤芯粗坯，烧制总时长为24h，最高温处保温时长为4h。
通过采用上述技术方案，烧制时间过短会导致孔隙过大，机械强度过低，烧制时间过长会导致有效孔隙过小，过滤速度降低，上述烧制时间在具有较高的机械强度的同时，不会对过滤速度产生影响。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本净水滤芯的原材料结合充分，成品率高，抗压强度好，机械强度大；
2、本净水滤芯孔径小，孔隙率发达，过滤速度快，过滤效果好，还有一定的抑菌效果。
具体实施方式
将木炭粉和钠长石以质量比为4:3的比例进行充分混合，制成造孔剂。
将正丁醇和乙二醇以质量比为3:4的比例进行充分混合，制成消泡剂。
改性硅藻土的制备方法如下：
(1)取50g硅藻土加入到500mL的浓度为15％H2SO4中，80℃浸置3h；
(2)过滤取沉淀后，烘干，500℃煅烧3h；
(3)将煅烧后的硅藻土加入到硫酸铝溶液中浸渍24h；
(4)110℃烘干，即得改性硅藻土。
改性凹凸棒土的制备方法如下：
(1)将凹凸棒土粉碎后加入水中，搅拌30min后，浸渍8h；
(2)过滤干燥后，将凹凸棒土加入到浓度为9.8％的硫酸中，浸渍2h；
(3)向步骤(2)中加入饱和氢氧化钠至pH为5.8，搅拌2h；
(4)过滤后，110℃烘干2h，即得改性凹凸棒土。
改性粘土的制备方法如下：
(1)将100g粘土加入到1L水中搅拌30min后，85℃加热2h；
(2)向步骤(1)中加入15g氢氧化钙后，搅拌15min；
(3)向步骤(2)中加入100mL浓度为5％的稀盐酸，搅拌15min；
(4)过滤后取沉淀在120℃下烘干2h，即得改性粘土。
实施例1
(1)将以下原料按质量比倒入球磨机内：改性硅藻土50份、改性凹凸棒土40份、改性粘土10份、分子筛原粉10份、氧化铝10份、纳米氧化锌10份、造孔剂5份、PEG5份，共计500Kg，添加1000kg的水，球磨2h；
(2)添加膨润土7份、CaCO33份、聚乙烯醇1份、消泡剂3份，加入到球磨机筒内，继续球磨10h，得到陶瓷原浆；
(3)将步骤(2)所得陶瓷原浆过筛，细度达到250目筛余≤1％后，通过压力注浆至石膏模具，得到成型坯体；若细度不足到250目筛余≤1％，则继续球磨1h，重新检测细度，至达到250目筛余≤1％后，通过压力注浆至石膏模具，得到成型坯体；
(4)将步骤(3)所得成型坯体送入烘干机70℃烘干后，检测成型坯体的残余水分，检测至残余水分＜0.7％，进行脱模，得到滤芯生坯；
(5)烧窑预热至70℃，将步骤(4)所得滤芯生坯送入烧窑内，经12h升温至1150℃，保温4h，后降温8h至室温，得到滤芯成品。
实施例2
(1)将以下原料按质量比倒入球磨机内：改性硅藻土65份、改性凹凸棒土50份、改性粘土20份、分子筛原粉20份、氧化铝15份、纳米氧化锌15份、造孔剂5份、PEG 5份，共计500Kg，添加1000kg的水，球磨2h；
(2)添加聚季铵盐5份、Na2CO3 4份、聚乙烯醇2份、消泡剂3份，加入到球磨机筒内，继续球磨10h，得到陶瓷原浆；
(3)将步骤(2)所得陶瓷原浆过筛，细度达到250目筛余≤1％后，通过压力注浆至石膏模具，得到成型坯体；若细度不足到250目筛余≤1％，则继续球磨1h，重新检测细度，至达到250目筛余≤1％后，通过压力注浆至石膏模具，得到成型坯体；
(4)将步骤(3)所得成型坯体送入烘干机75℃烘干后，检测成型坯体的残余水分，检测至残余水分＜0.7％，进行脱模，得到滤芯生坯；
(5)烧窑预热至75℃，将步骤(4)所得滤芯生坯送入烧窑内，经12h升温至1200℃，保温4h，后降温8h至室温，得到滤芯成品。
实施例3
(1)将以下原料按质量比倒入球磨机内：改性硅藻土50份、改性凹凸棒土45份、改性粘土15份、分子筛原粉15份、氧化铝12份、纳米氧化锌13份、造孔剂5份、PEG 7份，共计500Kg，添加1000kg的水，球磨2h；
(2)添加膨润土聚季铵盐8份、Na2CO3 3份、聚乙烯醇1份、消泡剂4份，加入到球磨机筒内，继续球磨10h，得到陶瓷原浆；
(3)将步骤(2)所得陶瓷原浆过筛，细度达到250目筛余≤1％后，通过压力注浆至石膏模具，得到成型坯体；若细度不足到250目筛余≤1％，则继续球磨1h，重新检测细度，至达到250目筛余≤1％后，通过压力注浆至石膏模具，得到成型坯体；
(4)将步骤(3)所得成型坯体送入烘干机85℃烘干后，检测成型坯体的残余水分，检测至残余水分＜0.7％，进行脱模，得到滤芯生坯；
(5)烧窑预热至70℃，将步骤(4)所得滤芯生坯送入烧窑内，经12h升温至1250℃，保温4h，后降温8h至室温，得到滤芯成品。
实施例4
(1)将以下原料按质量比倒入球磨机内：改性硅藻土50份、改性凹凸棒土40份、改性粘土10份、分子筛原粉10份、氧化铝10份、纳米氧化锌10份、造孔剂10份、PEG 5份，共计500Kg，添加1000kg的水，球磨2h；
(2)添加膨润土10份、CaCO37份、聚乙烯醇3份、消泡剂5份，加入到球磨机筒内，继续球磨10h，得到陶瓷原浆；
(3)将步骤(2)所得陶瓷原浆过筛，细度达到250目筛余≤1％后，通过压力注浆至石膏模具，得到成型坯体；若细度不足到250目筛余≤1％，则继续球磨1h，重新检测细度，至达到250目筛余≤1％后，通过压力注浆至石膏模具，得到成型坯体；
(4)将步骤(3)所得成型坯体送入烘干机85℃烘干后，检测成型坯体的残余水分，检测至残余水分＜0.7％，进行脱模，得到滤芯生坯；
(5)烧窑预热至70℃，将步骤(4)所得滤芯生坯送入烧窑内，经12h升温至1170℃，保温4h，后降温8h至室温，得到滤芯成品。
实施例5
(1)将以下原料按质量比倒入球磨机内：改性硅藻土65份、改性凹凸棒土50份、改性粘土20份、分子筛原粉20份、氧化铝15份、纳米氧化锌15份、造孔剂10份、PEG 5份，共计500Kg，添加1000kg的水，球磨2h；
(2)添加膨润土10份、Na2CO37份、聚乙烯醇2份、消泡剂4份，加入到球磨机筒内，继续球磨10h，得到陶瓷原浆；
(3)将步骤(2)所得陶瓷原浆过筛，细度达到250目筛余≤1％后，通过压力注浆至石膏模具，得到成型坯体；若细度不足到250目筛余≤1％，则继续球磨1h，重新检测细度，至达到250目筛余≤1％后，通过压力注浆至石膏模具，得到成型坯体；
(4)将步骤(3)所得成型坯体送入烘干机83℃烘干后，检测成型坯体的残余水分，检测至残余水分＜0.7％，进行脱模，得到滤芯生坯；
(5)烧窑预热至78℃，将步骤(4)所得滤芯生坯送入烧窑内，经12h升温至1220℃，保温4h，后降温8h至室温，得到滤芯成品。
实施例6
(1)将以下原料按质量比倒入球磨机内：改性硅藻土50份、改性凹凸棒土45份、改性粘土15份、分子筛原粉15份、氧化铝12份、纳米氧化锌13份、造孔剂20份、PEG7份，共计500Kg，添加1000kg的水，球磨2h；
(2)添加膨润土10份、CaCO36份、聚乙烯醇3份、消泡剂5份，加入到球磨机筒内，继续球磨10h，得到陶瓷原浆；
(3)将步骤(2)所得陶瓷原浆过筛，细度达到250目筛余≤1％后，通过压力注浆至石膏模具，得到成型坯体；若细度不足到250目筛余≤1％，则继续球磨1h，重新检测细度，至达到250目筛余≤1％后，通过压力注浆至石膏模具，得到成型坯体；
(4)将步骤(3)所得成型坯体送入烘干机72℃烘干后，检测成型坯体的残余水分，检测至残余水分＜0.7％，进行脱模，得到滤芯生坯；
(5)烧窑预热至80℃，将步骤(4)所得滤芯生坯送入烧窑内，经12h升温至1240℃，保温4h，后降温8h至室温，得到滤芯成品。
将上述实施例制成6批成品滤芯，进行滤芯性能测定，
1.通过目测结合长度测量工具判断，若表面出现层裂或深度大于2mm的裂缝，则为不合格品；
2.通过各组别横向对比，以实施例1为标准，判断其浮粉程度，其中：“+”表示浮粉程度比实施例1轻微；“-”表示无浮粉；“++”表示浮粉程度比实施例1相似；“+++”表示浮粉程度比实施例1严重。
随机从每批滤芯中挑选5个，进行滤芯性能的进一步的测定：
3.通过孔径测量测试仪测定每组陶瓷滤芯的孔径并取平均值；
4.通过向滤芯施压至侧壁出现来连接有滤芯上下端面的裂缝测得抗压强度，将每组数据取平均数；
5.用市政用水将每个滤芯冲洗30min后，自然晾干，然后选取宁波三江口水体作为自然水，各自过滤10min自然水，并测试过滤后的水体中各组分含量，测试方法入下：
5.1.用该滤芯过滤10L自然水，记录所花的时间，取每组陶瓷滤芯的过滤速度的平均值作为滤芯的过滤速度；
5.2制备6组培养基配方组分相同的PDA培养基，每组5个，每个实施例以1mL/个涂布到对应组别的PDA培养基上，培养24小时后，通过计数法得到菌落数。
测试结果见下表：
选择实施例4作为最优实施例，进行下一步对比试验。
对比例1
与上述实施例4相比，对比例1为不添加PEG的滤芯。
对比例2
与上述实施例4相比，对比例2为不添加消泡剂的滤芯。
对比例3
与上述实施例4相比，对比例3为不添加纳米氧化锌的滤芯。
对比例4
与上述实施例4相比，对比例4为不添加造孔剂的滤芯。
对比例5
与上述实施例4相比，对比例5使用原料均未经过改性。
将上述实施例及比较例制成成品滤芯并测试其性能，方法同上。
测试结果见下表：
通过上述实施例以及对比例可知，本净水滤芯的成品率高达99.4％以上，最高可达99.8％,相较于对比例2的98.7％和对比例4的98.8％，成品率的提高效果十分明显；通过压碎强度的测定，PEG可以提高本滤芯的抗压强度，而消泡剂可以减小滤芯孔径，提高滤芯的过滤效率；虽然不添加造孔剂可以提高滤芯的机械强度，但是不利于滤芯的过滤速度；相较于未改性的原材料，使用改性材料也能使滤芯的过滤速度以及除菌效果也有提升。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种陶瓷净水滤芯，其特征在于，该滤芯由以下组分组成，各组分以及各组分的质量份数为：改性硅藻土50～65份、改性凹凸棒土40～50份、改性粘土10～20份、分子筛原粉10～20份、氧化铝10～15份、纳米氧化锌10～15份、造孔剂5～10份、膨润土7～10份。
2.根据权利要求1所述的陶瓷净水滤芯，其特征在于，所述造孔剂由木炭粉和纳长石组成，其各组分的质量比为木炭粉：钠长石＝4:3。
3.根据权利要求1所述的一种陶瓷净水滤芯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将下列材料按对应质量分数添加到球磨机内：改性硅藻土50～65份、改性凹凸棒土40～50份、改性粘土10～20份、分子筛原粉10～20份、氧化铝10～15份、纳米氧化锌10～15份、造孔剂5～10份、膨润土7～10份，然后添加PEG 5～10份，添加质量为上述配料总质量2倍的水，经球磨2h后，添加稳定剂5～10份、分散剂3～7份、聚乙烯醇1～3份、消泡剂3～5份到球磨机筒内，继续球磨10h，得到陶瓷原浆；
(2)将步骤(1)所得陶瓷原浆通过压力注浆至石膏模具，得到成型坯体；
(3)将步骤(2)所得成型坯体烘干后，进行脱模，得到滤芯生坯；
(4)将步骤(3)所得滤芯生坯在烧窑中1150℃～1250℃烧成，得到滤芯成品。
4.根据权利要求3所述的一种陶瓷净水滤芯的制备方法，其特征在于，所述稳定剂及其质量份数为聚季铵盐5～8份。
5.根据权利要求3所述的一种陶瓷净水滤芯的制备方法，其特征在于，所述聚季铵盐的最大特征粘数为13.50～15.00mL/g。
6.根据权利要求3所述的一种陶瓷净水滤芯的制备方法，其特征在于，所述分散剂为纳米CaCO3或纳米Na2CO3。
7.根据权利要求3所述的一种陶瓷净水滤芯的制备方法，其特征在于，所述消泡剂由正丁醇和乙二醇组成，其各组分的质量比为3:4。
8.根据权利要求3所述的一种陶瓷净水滤芯的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)所得陶瓷原浆在压力注浆之前泥浆细度达到250目筛余≤1％。
9.根据权利要求3所述的一种陶瓷净水滤芯的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的烘干温度为70℃～85℃，烘干后滤芯生坯的残余水分＜0.7％。
10.根据权利要求3所述的一种陶瓷净水滤芯的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中烧窑预热至70℃～85℃后放入滤芯粗坯，烧制总时长为24h，最高温处保温时长为4h。
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