CN109351055A - 一种水合物凝胶型滤芯及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水合物凝胶型滤芯，包括用于阻隔过滤的水凝胶和用于支撑所述水凝胶的支撑体，所述水凝胶为金属氢氧化物凝胶，所述支撑体材料包括金属氧化物和非氧化物陶瓷材料。本发明所得水合物凝胶型滤芯材料可以广泛应用于净水领域，可以有效去除水中的细菌和病毒，同时对水的浊度、色度和总有机碳等都有很好的去除效果。

Description

一种水合物凝胶型滤芯及其制备方法
技术领域
本发明公开了一种水合物凝胶型滤芯的制备方法，属于材料技术工程领域。
背景技术
据世界卫生组织报告：全球有10亿人正在饮用被污染的水，有18亿人因饮用被污染的水而患病；全世界80-90％的疾病及33％的死亡与饮用受污染的水有关。水中的病菌和微生物是影响人类健康的关键因素。可见，净水对于人们正常、安全生活十分必要。
目前，市场上主流品牌的净水器，如美的、道尔顿、3M等，其滤芯材料大多由活性炭、陶瓷等组成。这类净水器可以有效去除水中的悬浮固体杂质和高分子有机物，但是难以有效地降低水中病菌的含量，而高含量的病菌严重威胁人类健康。目前主要采用含氯化合物消毒、紫外线消毒等方法去除水中细菌和病毒等，成本较高，且易产生有毒副产物，不适用于小型家庭/楼宇/社区净水装置。同时，传统的滤芯在使用过程中也易滋生大量病菌，恶化出水水质，危害人体健康。因此，亟需开发一种新型高效、低成本的过滤病菌和微生物的净水滤芯，并应用在净水装置上。
水合物凝胶是一种极具潜力的滤芯材料。目前凝胶过滤法已应用于生物分离、分子量测定等领域，而在涉及实际生活的净水领域尚无应用。水合物凝胶过滤的机理是机械应力和物理吸附的共同作用。在工作过程中，水合物凝胶可能表现得像一个粘性液体或填充床，其中颗粒可能积累在机械应变层的顶部。由于水合物层中含有大量的水，小而亲水的材料将自由通过凝胶层，而疏水性化合物和更大分子则不能通过这一层。因此，这种水合物凝胶不仅可以实现目前市场上净水滤芯的基本功能，还可以有效地降低水中微生物和病毒的含量。同时，与传统滤芯相比成本也大幅度降低，可以实现大规模的应用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种水合物凝胶型滤芯及其制备方法。
为实现本发明的发明目的，采用如下技术方案：
一种水合物凝胶型滤芯，包括用于阻隔过滤的水凝胶和用于支撑所述水凝胶的支撑体。
优选地，所述水凝胶为金属氢氧化物凝胶，如氢氧化铝、勃姆石、氢氧化钛、氢氧化锆、氢氧化锌、氢氧化铜、氢氧化钙等。
优选地，所述支撑体材料为多孔结构的金属氧化物，氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化镁、高岭土、铝矾土等金属氧化物和氮化硅、碳化硅等非氧化物陶瓷材料。
优选地，所述水凝胶的厚度为0.1-50微米，所述支撑体材料的厚度为100-2000微米。
本发明还提供了上述水合物凝胶型滤芯的制备方法，包括如下步骤：
1)水凝胶的制备；
2)支撑体的制备；
3)水凝胶与支撑体的复合，将水凝胶均匀铺盖或涂覆或印刷在所述支撑体表面上，得到所需水凝胶滤芯。
优选地，步骤2)支撑体的制备包括如下步骤：
a)将支撑体材料、1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、聚苯醚砜(PESF)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)混合制成第一支撑层；
b)将石墨、1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、聚苯醚砜(PESF)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)混合制成第二支撑层；
c)然后依次将第一支撑层和第二支撑层进行叠加流延，得到多层流延材料，其中，所述流延材料层数为双数；
d)将流延所得材料放入水中冷却凝固；
e)取出沾去表面水分，切成所需滤芯的大小放入马弗炉中烧制，得到支撑体。
优选地，步骤c)中，第二支撑层厚度为0.01-0.5微米，第一支撑层厚度为0.1-2微米，所得多层流延材料中其中第二支撑层的总厚度为10-100微米，第一支撑层的总厚度为100-2000微米。
优选地，步骤e)烧制过程如下：第二支撑层朝上、第一支撑层朝下放在两块板子中，室温以2℃每分钟升至600℃，在600℃下维持2个小时，再以2℃每分钟升至1100-1500℃，在1100-1500℃下维持5个小时，再以2℃每分钟降至600℃，在600℃下维持2个小时，然后自然降温至室温。
优选地，当所述水凝胶为氢氧化铝、支撑体材料包括铝矾土时，所述制备方法包括如下步骤：
1)水凝胶的制备：
1a)将异丙醇铝和水混合制成异丙醇铝溶液；
1b)将所得异丙醇铝溶液在60-100℃下搅拌1个小时，让异丙醇铝水解；
1c)向异丙醇铝水解后的溶液中加入硝酸，异丙醇铝、水、硝酸的配比为摩尔比1:(40-400):(0.01-2)；
1d)将步骤1c)所得溶液在60-100℃下回流搅拌7～8个小时，溶液逐渐过渡为溶胶最后得到水凝胶；
2)支撑体的制备：
2a)将铝矾土、1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、聚苯醚砜(PESF)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)混合制成铝矾土层，其中，铝矾土、1-甲基-2吡咯烷酮、聚苯醚砜、聚乙烯吡咯烷酮的质量比为(20-50)：(35-60)：(1-10)：(0.1-3)；
2b)将石墨、1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、聚苯醚砜(PESF)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)混合制成石墨层，其中，石墨、1-甲基-2吡咯烷酮、聚苯醚砜、聚乙烯吡咯烷酮的质量比为(10-70)：(10-70)：(1-15)：(1-10)；
2c)然后依次将石墨和铝矾土进行叠加进行流延，得到多层流延材料；
2d)将流延所得材料放入水中冷却凝固；
2e)取出沾去表面水分，切成所需滤芯的大小放入马弗炉中烧制，得到支撑体；
3)水凝胶与支撑体的复合，将水凝胶均匀铺盖或涂覆或印刷在所述支撑体的表面上，得到所需水凝胶滤芯。可利用丝网印刷、喷涂等方法将水凝胶均匀铺盖或涂覆或印刷在所述支撑体的小孔层，即较致密表面上，可通过改变涂覆或喷涂次数调整水凝胶层的厚度。
本发明还提供了上述的水合物凝胶型滤芯或上述制备方法所得到的水合物凝胶滤芯在净水领域的应用，用于去除水中的细菌和病毒，降低净化水的浊度、色度和总有机碳。
目前还没有关于水合物凝胶滤芯的制备方法的报道。
本发明方法的有益效果是：
1)本发明制备的氢氧化铝水合物凝胶滤芯可以过滤水中的高分子固体悬浮物、细菌、病毒等大分子物质，过滤后的水质指标中色度、浊度、硬度、COD等都有明显下降。
2)本发明备的氢氧化铝水合物凝胶滤芯在高污染河水中也可以正常工作，使用寿命较长，工作条件较广泛。
3)本发明制备氢氧化铝水合物凝胶滤芯方法简单，原料成本低廉，可以从固体废料中提取。
4)本发明制备氢氧化铝水合物凝胶滤芯可以广泛应用，具有很广阔的商业价值和科研意义。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的水凝胶的照片；
图2为本发明实施例1制得的支撑体的照片；
图3为本发明实施例1制得的支撑体的扫描电子显微镜照片，其中图(A)为所述铝矾土支撑体的侧面结构示意图，上层为铝矾土海绵状孔层，下层为石墨指状孔层；图(B)铝矾土层海绵状孔表皮；图(C)为石墨指状孔层表面；
图4为本发明实施例1制备的滤芯的照片；
图5为利用本发明实施例1制备滤芯过滤湖北省武汉市东湖岸边水后，对原水和过滤水进行细菌培养实验的结果。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
水凝胶的制备：
1)将异丙醇铝和水按摩尔比为1:100混合制成异丙醇铝溶液；
2)将异丙醇铝溶液放入三颈烧瓶中在80℃下搅拌1个小时，让异丙醇铝水解；
3)向异丙醇铝水解后的溶解中加入异丙醇铝摩尔量的0.1倍的硝酸；
4)将上述溶液放入三颈烧瓶中在80℃下回流搅拌7～8个小时，溶液逐渐过渡为溶胶最后变为水凝胶。图1为采用激光笔照射所得水凝胶的照片，可以看出丁达尔效应。
支撑体的制备：
1)将铝矾土、1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、聚苯醚砜(PESF)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)按质量比35:24:4:1的量混合制成铝矾土层；
2)将石墨、1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、聚苯醚砜(PESF)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)按质量比15：20:6:1.25的量混合制成石墨层；
3)然后以石墨层厚度为0.3mm，铝矾土层厚度为0.95mm进行双层流延；
4)将流延后的材料放入水中冷却凝固；
5)取出沾去表面水分，切成所需滤芯的大小放入马弗炉中，石墨层朝上、铝矾土层朝下放在两块板子中，两块板子中四角用流延后膜的废料搭出两层的高度，室温以2℃每分钟升至600℃，在600℃下维持2个小时，再以2℃每分钟升至1300℃，在1300℃下维持5个小时，再以2℃每分钟降至600℃，在600℃下维持2个小时，然后自然降温至室温，得到所需支撑体。图2和图3位所得支撑体的实物照片和扫描电子显微镜照片，可以看出支撑体顶部孔径较小、底部孔径较大，侧面有一道道直的孔道。
利用刷子蘸取制备的水凝胶，并均匀涂覆在支撑体的上表面直至形成均匀的水凝胶/支撑体双层结构滤芯，如图4所示。
将所得滤芯安装于出水口，水凝胶层为入水面，支撑体层为出水面，得到过滤装置，采用该过滤装置过滤湖北省武汉市东湖岸边水，对原水和过滤水进行相关水质参数测定，测定数据如下表1所示。同样条件下对原水和过滤水进行细菌培养，培养条件为：室温暴露在空气中，培养天数：3天，细菌培养结果如图5所示。
表1，原水和过滤水进行相关水质参数测定数据
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，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变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种水合物凝胶型滤芯，其特征在于，包括用于阻隔过滤的水凝胶和用于支撑所述水凝胶的支撑体。
2.如权利要求1所述的水合物凝胶型滤芯，其特征在于，所述水凝胶为金属氢氧化物凝胶。
3.如权利要求1所述的水合物凝胶型滤芯，其特征在于，所述支撑体材料为多孔结构的金属氧化物或非氧化物陶瓷材料。
4.如权利要求1所述的水合物凝胶型滤芯，其特征在于，所述水凝胶的厚度为0.1-50微米，所述支撑体材料的厚度为100-2000微米。
5.如权利要求1～4任一项所述水合物凝胶型滤芯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)水凝胶的制备；
2)支撑体的制备；
3)水凝胶与支撑体的复合，将水凝胶均匀铺盖或涂覆或印刷在所述支撑体表面上，得到所需水凝胶滤芯。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2)支撑体的制备包括如下步骤：
a)将支撑体材料、1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、聚苯醚砜(PESF)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)混合制成第一支撑层；
b)将石墨、1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、聚苯醚砜(PESF)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)混合制成第二支撑层；
c)然后依次将第一支撑层和第二支撑层进行叠加流延，得到多层流延材料；
d)将流延所得材料放入水中冷却凝固；
e)取出沾去表面水分，切成所需滤芯的大小放入马弗炉中烧制，得到支撑体。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤c)中，第二支撑层厚度为0.01-0.5微米，第一支撑层厚度为0.1-2微米，所得多层流延材料中其中第二支撑层的总厚度为10-100微米，第一支撑层的总厚度为100-2000微米。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤e)烧制过程如下：第二支撑层朝上、第一支撑层朝下放在两块板子中，室温以2℃每分钟升至600℃，在600℃下维持2个小时，再以2℃每分钟升至1100-1500℃，在1100-1500℃下维持5个小时，再以2℃每分钟降至600℃，在600℃下维持2个小时，然后自然降温至室温。
9.根据权利要求6所述水合物凝胶型滤芯的制备方法，其特征在于，当所述水凝胶为氢氧化铝、支撑体材料包括铝矾土时，所述制备方法包括如下步骤：
1)水凝胶的制备：
1a)将异丙醇铝和水混合制成异丙醇铝溶液；
1b)将所得异丙醇铝溶液在60-100℃下搅拌1个小时，让异丙醇铝水解；
1c)向异丙醇铝水解后的溶液中加入硝酸，异丙醇铝、水、硝酸的配比为摩尔比1:(40-400):(0.01-2)；
1d)将步骤1c)所得溶液在60-100℃下回流搅拌7～8个小时，溶液逐渐过渡为溶胶最后得到水凝胶；
2)支撑体的制备：
2a)将铝矾土、1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、聚苯醚砜(PESF)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)混合制成铝矾土层，其中，铝矾土、1-甲基-2吡咯烷酮、聚苯醚砜、聚乙烯吡咯烷酮的质量比为(20-50)：(35-60)：(1-10)：(0.1-3)；
2b)将石墨、1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、聚苯醚砜(PESF)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)混合制成石墨层，其中，石墨、1-甲基-2吡咯烷酮、聚苯醚砜、聚乙烯吡咯烷酮的质量比为(10-70)：(10-70)：(1-15)：(1-10)；
2c)然后依次将石墨和铝矾土进行叠加进行流延，得到多层流延材料；
2d)将流延所得材料放入水中冷却凝固；
2e)取出沾去表面水分，切成所需滤芯的大小放入马弗炉中烧制，得到支撑体；
3)水凝胶与支撑体的复合，将水凝胶均匀铺盖或涂覆或印刷在所述支撑体的表面上，得到所需水凝胶滤芯。
10.权利要求1～4任一项所述的水合物凝胶型滤芯或权利要求5～9任一项制备方法所得到的水合物凝胶滤芯在净水领域的应用，其特征在于，用于去除水中的细菌和病毒，降低净化水的浊度、色度和总有机碳。
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