CN108704389A - 一种石墨烯改性活性炭复合滤芯及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯改性活性炭复合滤芯及其制备方法和应用，所述滤芯包括以下质量百分含量的各组分：石墨烯0.1％‑10％；改性活性炭90‑99.9％；所述改性活性炭为十二烷基苯磺酸钠改性活性炭。本发明制备的复合滤芯采用多层烧结至过滤精度小于0.1μm，可对原水进行深度过滤杀菌，滤除原水中残留的胶体和细菌等，具有非常优异的抗菌性能，且大大提高了过滤效率，使原水得到深度净化。同时，采用本发明的石墨烯改性活性炭复合滤芯不会对净水中矿物元素含量产生明显影响，即可保持水中有益的矿物元素不流失，过滤后的水更利于人类的健康。

Description

一种石墨烯改性活性炭复合滤芯及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及净水滤芯技术领域，具体地说，涉及一种石墨烯改性活性炭复合滤芯及其制备方法和应用。
背景技术
自来水中含有细菌、重金属、异味气体、色素等有害物质，据统计，通常自来水中含有大约2000多种化合物，其中200多种对人体有害，其中细菌是水污染的主要原因。研究表明：饮用水中的沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、蜡样芽胞杆菌及致病性大肠埃希氏菌等致病菌会对人类健康产生非常严重的影响。净水器是一种理想的家庭净水设备，用于自来水净化，使受到污染及未达到安全饮用水标准的自来水经本净水器处理后，均能得到较大改善。可有效去除铁锈、泥沙、余氯、异色异味、有机物、重金属离子以及大于1μm的虫卵、红虫等。现有技术中，净水器的前置过滤装置，通常设置有两级滤芯，第一级为PP棉滤芯，第二级为压缩活性炭滤芯，所述两级滤芯设置于水处理通路上。PP滤芯多吸附水中悬浮杂质、颗粒、污泥等，以微米(μm)为分级的标准，常见的是1、5、10、20μm等过滤孔径，采用熔喷工艺，通过特殊的接收装置，使得熔喷超细纤维形成无芯筒状物，通过调整工艺组合，可以改变纤维直径和密度，从而得到各种不同过滤性能的滤芯产品。活性炭自二十世纪初即被发现可用来做为水处理用。它是一个具多孔状组织的碳，这些孔就是用来增加活性炭吸附杂质的表面积。碳化物质的物性与它的原材料和处理过程的好坏有极大的关系。活性炭是靠表面多孔状组织吸附化学物质、有机污染源、异色异味等。一般而言，体积越小的活性炭，其总体表面积会越大，吸附能力也就会越高，但其管路的压损也会越高。当自来水流量较大时，活性炭过滤材料的吸附能力非常有限，不能有效的去除自来水中的余氯及重金属等。当活性炭过滤材料的吸附能力达到饱和后，必须更换活性炭过滤芯，否则就无法起到过滤作用，而频繁更换活性炭过滤芯，将给用户带来不便，并增加使用成本。同时，PP棉滤芯和普通的活性炭过滤材料均不能抑制细菌的滋生，所述两级滤芯长时间不更换，反而会造成二次污染，细菌呈几何倍数增加。为了达到抗菌的目的，现有的处理方法是将压缩活性炭滤芯浸泡到硝酸银和稀硝酸混合液中，干燥后，银离子即物理吸附在压缩活性炭滤芯上，从而实现杀菌抗菌功能，然而，所述压缩活性炭滤芯一旦设置于水处理通路上，银和硝酸均会析出，银为重金属，对人体有害，硝酸析出为亚硝酸盐，长期使用会致癌。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种石墨烯改性活性炭复合滤芯及其制备方法和应用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种石墨烯改性活性炭复合滤芯，包括以下质量百分含量的各组分：
石墨烯 0.1％-10％；
改性活性炭 90-99.9％。
优选地，所述改性活性炭为十二烷基苯磺酸钠改性活性炭，改性后的活性炭富有磺酸钠基团，可以与石墨烯表面的羟基和羧基发生化学反应，生产稳定的化学键，保证石墨烯的负载量和结合强力。
优选地，所述改性活性炭的制备方法为：
将活性炭原料加入到浓度为0.02～3.5mmol/L的十二烷基苯磺酸钠溶液中，室温震荡2～10小时，然后将活性炭过滤分离、清洗，制备获得接枝有磺酸钠基团的改性活性炭。
优选地，所述改性活性炭采用的活性炭原料的碘值为800-1600，灰分＜8％，目数为600-1500。
所述碘值过低会导致对于细菌、小分子有机物、重金属、余氯等过滤效率偏低；碘值过高会导致因活性炭吸附太强，导致吸附过后的净水中矿物元素含量降低。
所述灰分要＜8％，因为灰分过高，不利于改性以及后续的清洗。
所述目数600-1500，比较符合滤芯常用目数，便于生产标准滤芯。
优选地，所述石墨烯为改性氧化石墨烯。
本发明还提供了一种石墨烯改性活性炭复合滤芯的制备方法，包括以下步骤：
A、将改性活性炭浸泡在石墨烯溶液中，烘干；
B、将仅步骤A处理后的改性活性炭挤出成型，然后喷涂生物胶；所述生物胶用于活性炭的预定性，焙烧后会挥发掉，无残留。
C、将步骤B处理后得到的材料在惰性气氛中进行焙烧，然后冷却；
D、将经步骤C处理后得到的材料重复步骤A-C至少两次，即得石墨烯改性活性炭复合滤芯。
优选地，步骤A中，所述石墨烯溶液中，含有石墨烯的质量为0.02-2％；所述浸泡时间为1-3小时。
优选地，步骤B中，所述生物胶包括葡萄糖、葡萄糖醛酸和鼠李糖；所述生物胶的喷涂量为20-40％。
更优选地，所述葡萄糖、葡萄糖醛酸和鼠李糖的质量比为40～60:20～30:25～35。
优选地，步骤C中，所述焙烧温度为200-300℃，焙烧时间为30-60分钟。
本发明还提供了一种石墨烯改性活性炭复合滤芯在净水设备中的应用。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明制备的复合滤芯采用多层烧结至过滤精度小于0.1μm，可对原水进行深度过滤杀菌，滤除原水中残留的胶体和细菌等，具有非常优异的抗菌性能，且大大提高了过滤效率，使原水得到深度净化。同时，采用本发明的石墨烯改性活性炭复合滤芯不会对净水中矿物元素含量产生明显影响，即可保持水中有益的矿物元素不流失，过滤后的水更利于人类的健康。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供了一种石墨烯改性活性炭复合滤芯的制备方法，包括以下步骤：
1、活性炭改性：使用十二烷基苯磺酸钠改性活性炭，制备获得接枝有磺酸钠基团的改性活性炭；具体为：将活性炭原料加入到浓度为0.02～3.5mmol/L的十二烷基苯磺酸钠溶液中，室温震荡2～10小时，然后将活性炭过滤分离、清洗，制备获得接枝有磺酸钠基团的改性活性炭。所述改性活性炭采用的活性炭原料的碘值为800-1600，灰分＜8％，目数为600-1500。
2、将上述改性活性炭在石墨烯溶液(浓度1.0wt％)中浸泡2小时，烘干；
3、上述烘干后的活性炭挤出成型，并喷涂生物胶(主要成分由葡萄糖、葡萄糖醛酸和鼠李糖按40：30：30的比例)；生物胶的喷涂量为30％；
4、在惰性气氛中焙烧，200℃，焙烧时间60分钟，自然冷却；
5、上述步骤4冷却后的活性炭第二次在石墨烯溶液(浓度1.0wt％)中浸泡2小时，烘干；
6、第二次喷涂生物胶；生物胶的喷涂量为30％；
7、在惰性气氛中焙烧，200℃，焙烧时间60分钟，自然冷却；
8、上述步骤7冷却后的活性炭第三次在石墨烯溶液(浓度1.0wt％)中浸泡2小时，烘干；
9、第三次喷涂生物胶；生物胶的喷涂量为30％；
10、在惰性气氛中焙烧，200℃，焙烧时间60分钟，自然冷却，制备获得石墨烯改性活性炭复合滤芯。
所得复合滤芯中，石墨烯含量为5％，活性炭含量为95％。
实施例2
本实施例提供了一种石墨烯改性活性炭复合滤芯的制备方法，包括以下步骤：
1、活性炭改性：使用十二烷基苯磺酸钠改性活性炭，制备获得接枝有磺酸钠基团的改性活性炭；具体为：将活性炭原料加入到浓度为0.02～3.5mmol/L的十二烷基苯磺酸钠溶液中，室温震荡2～10小时，然后将活性炭过滤分离、清洗，制备获得接枝有磺酸钠基团的改性活性炭。所述改性活性炭采用的活性炭原料的碘值为800-1600，灰分＜8％，目数为600-1500。
2、将上述改性活性炭在石墨烯溶液(浓度0.2wt％)中浸泡3小时，烘干；
3、上述烘干后的活性炭挤出成型，并喷涂生物胶(主要成分由葡萄糖、葡萄糖醛酸和鼠李糖按50：25：25的比例)；生物胶的喷涂量为30％；
4、在惰性气氛中焙烧，250℃，焙烧时间450分钟，自然冷却；
5、上述步骤4冷却后的活性炭第二次在石墨烯溶液(浓度0.2wt％)中浸泡3小时，烘干；
6、第二次喷涂生物胶；生物胶的喷涂量为30％；
7、在惰性气氛中焙烧，250℃，焙烧时间450分钟，自然冷却；
8、上述步骤7冷却后的活性炭第三次在石墨烯溶液(浓度0.2wt％)中浸泡3小时，烘干；
9、第三次喷涂生物胶；生物胶的喷涂量为30％；
10、在惰性气氛中焙烧，250℃，焙烧时间45分钟，自然冷却，制备获得石墨烯改性活性炭复合滤芯。
所得复合滤芯中，石墨烯含量为1％，改性活性炭含量为99％。
实施例3
本实施例提供了一种石墨烯改性活性炭复合滤芯的制备方法，包括以下步骤：
1、活性炭改性：使用十二烷基苯磺酸钠改性活性炭，制备获得接枝有磺酸钠基团的改性活性炭；具体为：将活性炭原料加入到浓度为0.02～3.5mmol/L的十二烷基苯磺酸钠溶液中，室温震荡2～10小时，然后将活性炭过滤分离、清洗，制备获得接枝有磺酸钠基团的改性活性炭。所述改性活性炭采用的活性炭原料的碘值为800-1600，灰分＜8％，目数为600-1500。
2、将上述改性活性炭在石墨烯溶液(浓度2wt％)中浸泡1小时，烘干；
3、上述烘干后的活性炭挤出成型，并喷涂生物胶(主要成分由葡萄糖、葡萄糖醛酸和鼠李糖按60：20：35的比例)；生物胶的喷涂量为30％；
4、在惰性气氛中焙烧，300℃，焙烧时间30分钟，自然冷却；
5、上述步骤4冷却后的活性炭第二次在石墨烯溶液(浓度2wt％)中浸泡1小时，烘干；
6、第二次喷涂生物胶；生物胶的喷涂量为30％；
7、在惰性气氛中焙烧，300℃，焙烧时间30分钟，自然冷却；
8、上述步骤7冷却后的活性炭第三次在石墨烯溶液(浓度2wt％)中浸泡1小时，烘干；
9、第三次喷涂生物胶；生物胶的喷涂量为30％；
10、在惰性气氛中焙烧，300℃，焙烧时间30分钟，自然冷却，制备获得石墨烯改性活性炭复合滤芯。
所得复合滤芯中，石墨烯含量为10％，改性活性炭含量为90％。
实施例4
本实施例提供了一种石墨烯改性活性炭复合滤芯的制备方法，包括以下步骤：
1、活性炭改性：使用十二烷基苯磺酸钠改性活性炭，制备获得接枝有磺酸钠基团的改性活性炭；具体为：将活性炭原料加入到浓度为0.02～3.5mmol/L的十二烷基苯磺酸钠溶液中，室温震荡2～10小时，然后将活性炭过滤分离、清洗，制备获得接枝有磺酸钠基团的改性活性炭。所述改性活性炭采用的活性炭原料的碘值为800-1600，灰分＜8％，目数为600-1500。
2、将上述改性活性炭在石墨烯溶液(浓度0.02wt％)中浸泡1小时，烘干；
3、上述烘干后的活性炭挤出成型，并喷涂生物胶(主要成分由葡萄糖、葡萄糖醛酸和鼠李糖按45：30：35的比例)；生物胶的喷涂量为30％；
4、在惰性气氛中焙烧，300℃，焙烧时间30分钟，自然冷却；
5、上述步骤4冷却后的活性炭第二次在石墨烯溶液(浓度0.02wt％)中浸泡1小时，烘干；
6、第二次喷涂生物胶；生物胶的喷涂量为30％；
7、在惰性气氛中焙烧，300℃，焙烧时间30分钟，自然冷却；
8、上述步骤7冷却后的活性炭第三次在石墨烯溶液(浓度0.02wt％)中浸泡1小时，烘干；
9、第三次喷涂生物胶；生物胶的喷涂量为30％；
10、在惰性气氛中焙烧，300℃，焙烧时间30分钟，自然冷却，制备获得石墨烯改性活性炭复合滤芯。
所得复合滤芯中，石墨烯含量为0.1％，改性活性炭含量为99.9％。
对比例1
本对比例提供了一种石墨烯改性活性炭复合滤芯的制备方法，具体步骤与实施例1基本相同，不同之处仅在于：本对比例中，不对活性炭进行改性，直接将活性炭原料在石墨烯溶液中浸泡。
所得复合滤芯中，石墨烯含量为0.02％，活性炭含量为99.8％。
对比例2
本对比例提供了一种石墨烯改性活性炭复合滤芯的制备方法，具体步骤与实施例1基本相同，不同之处仅在于：本对比例中，不进行焙烧的步骤。
所得复合滤芯中，石墨烯含量为4.0％，活性炭含量为96％。
对比例3
本对比例提供了一种石墨烯改性活性炭复合滤芯的制备方法，具体步骤与实施例1基本相同，不同之处仅在于：本对比例中，不进行喷涂生物胶的步骤。
所得复合滤芯中，石墨烯含量为1.0％，活性炭含量为99％。
对比例4
本对比例提供了一种石墨烯改性活性炭复合滤芯的制备方法，具体步骤与实施例1基本相同，不同之处仅在于：本对比例中，步骤3中喷涂的生物胶为质量比为40:60的葡萄糖和鼠李糖。
所得复合滤芯中，石墨烯含量为3.0％，活性炭含量为97％。
效果验证：
将以上实施例和对比例制得的石墨烯改性活性炭复合滤芯对自来水进行过滤，过滤结果如表1所示。
表1
此外，采用本发明实施例制备的石墨烯改性活性炭复合滤芯不会对净水中矿物元素含量产生明显影响，即可保持水中有益的矿物元素不流失，过滤后的水更利于人类的健康。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。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，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种石墨烯改性活性炭复合滤芯，其特征在于，包括以下质量百分含量的各组分：
石墨烯 0.1％-10％；
改性活性炭 90-99.9％。
2.根据权利要求1所述的石墨烯改性活性炭复合滤芯，其特征在于，所述改性活性炭为十二烷基苯磺酸钠改性活性炭。
3.根据权利要求2所述的石墨烯改性活性炭复合滤芯，其特征在于，所述改性活性炭的制备方法为：
将活性炭原料加入到浓度为0.02～3.5mmol/L的十二烷基苯磺酸钠溶液中，室温震荡2～10小时，然后将活性炭过滤分离、清洗，制备获得接枝有磺酸钠基团的改性活性炭。
4.根据权利要求3所述的石墨烯改性活性炭复合滤芯，其特征在于，所述改性活性炭采用的活性炭原料的碘值为800-1600，灰分＜8％，目数为600-1500。
5.根据权利要求1所述的石墨烯改性活性炭复合滤芯，其特征在于，所述石墨烯为改性氧化石墨烯。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的石墨烯改性活性炭复合滤芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将改性活性炭浸泡在石墨烯溶液中，烘干；
B、将仅步骤A处理后的改性活性炭挤出成型，然后喷涂生物胶；
C、将步骤B处理后得到的材料在惰性气氛中进行焙烧，然后冷却；
D、将经步骤C处理后得到的材料重复步骤A-C至少两次，即得石墨烯改性活性炭复合滤芯。
7.根据权利要求6所述的石墨烯改性活性炭复合滤芯的制备方法，其特征在于，步骤A中，所述石墨烯溶液中，含有石墨烯的质量为0.02-2％；所述浸泡时间为1-3小时。
8.根据权利要求6所述的石墨烯改性活性炭复合滤芯的制备方法，其特征在于，步骤B中，所述生物胶包括葡萄糖、葡萄糖醛酸和鼠李糖；所述生物胶的喷涂量为20-40％。
9.根据权利要求6所述的石墨烯改性活性炭复合滤芯的制备方法，其特征在于，步骤C中，所述焙烧温度为200-300℃，焙烧时间为30-60分钟。
10.一种根据权利要求1所述的石墨烯改性活性炭复合滤芯在净水设备中的应用。
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