CN110203993B - 一种微波条件下可重复使用的复合滤芯、其制备方法及其活化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微波条件下可重复使用的复合滤芯、其制备方法及其活化方法，复合滤芯，包括芯体外壳、芯体内壁、活性炭填料和芯体隔板；芯体外壳设在芯体内壁的外围；芯体内壁内侧设有一节以上的活性炭填料，每节活性炭填料的两端均设有芯体隔板；芯体外壳和芯体内壁均为微孔结构，芯体隔板为多孔结构。本发明芯体外壳的材料拥有陶瓷级别的强度和密封性能，具有耐高温、抗腐蚀的特性，同时可使微波穿透，让微波能作用于芯体内壁和芯体隔板；芯体内壁能满足微波活化滤芯所需的工艺温度；芯体隔板材料在微波条件下快速升温，具有耐高温、耐热震、耐腐蚀、微孔结构的特点；复合滤芯具有可重复使用、芯体强度高、耐热震性能好、耐酸碱腐蚀、耐高温的优点。

Description

一种微波条件下可重复使用的复合滤芯、其制备方法及其活 化方法
技术领域
本发明涉及一种微波条件下可重复使用的复合滤芯、其制备方法及其活化方法，属于复合滤芯重复使用领域。
背景技术
近年来，各行各业的环保要求逐步提高，工厂企业的污水、废气排放要求越来越严格，各种污废处理技术迅猛发展。
目前活性炭滤芯在工厂处理污水、废气工艺中被广泛使用，然而活性炭在使用一定时间后必须更换，使用寿命较短，且更换下的活性炭由于吸附了大量有机物而变成危废，产生高昂的处理成本。所以目前的活性炭过滤技术尽管处理效果显著、环保易达标，但本身昂贵的成本限制了该技术的使用，只能在一些表面处理类、污泥焚烧等附加值较高的行业使用。
发明内容
为了解决现有技术中吸附过滤技术所用活性炭滤芯无法重复使用，更换活性炭产生大量成本等问题，本发明提供一种。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种微波条件下可重复使用的复合滤芯，包括芯体外壳、芯体内壁、活性炭填料和芯体隔板；芯体外壳设在芯体内壁的外围；芯体内壁内侧设有一节以上的活性炭填料，每节活性炭填料的两端均设有芯体隔板；芯体外壳和芯体内壁均为微孔结构，芯体隔板为多孔结构。
采用本发明的复合滤芯，在使用吸附饱和后，在微波条件下进行再生活化，可作为滤芯继续重复使用，可极大缩减了活性炭吸附处理产生的后期成本、提高了物料的重复利用率。本申请复合滤芯外型形状尺寸可根据吸附系统定制。
为了提高滤芯的处理废水、废气的效果，芯体外壳和芯体内壁均为中空圆柱状结构，芯体内壁粘结在芯体外壳内侧；芯体隔板为圆形，隔板垂直于芯体内壁的轴向设置。
为保证滤芯的活化效果，芯体内壁厚度为3～10mm，优选为3～8mm；芯体内壁为微孔结构；芯体外壳的厚度为3～10mm。
为了保证滤芯的稳定性和活化效果，芯体隔板的厚度为10～20mm，芯体隔板为微孔结构。
为了兼顾过滤效果和活化效果，当活性炭填料有两节以上时，相邻两节活性炭填料之间的间距为150～200mm；每节活性炭填料的高度为150～200mm。
上述芯体隔板为多孔结构，孔径为8～10mm，孔洞率为50％～70％，孔的形状为方孔。孔的轴向与隔板的轴向同向。
芯体外壳所用原料包括：1000±100目高纯度硅微粉(二氧化硅含量99.99％)25～35份，200±50目高纯度硅微粉15～25份，80±20目高纯度硅微粉5～15份，熟制铝酸钙5～15份和质量浓度为30～40％的硅酸钠溶液25～35份，所述份数为质量份数。申请人经研究发现，通过不同目数的高纯度硅微粉级配后与上述材料混合并在微波炉内烧制成型，可以形成高强度、微波可穿透、耐温性好、且具有保温效果的芯体外壳。
芯体内壁所用原料包括：550～150目结晶碳化硅粉末25～35份，600±100目高纯度硅微粉5～15份，铝粉3～7份，单晶硅粉末3～7份，熟制铝酸钙5～15份，质量浓度为30～40％的硅酸钠溶液25～35份，碳酸氢钠粉末0.3～0.7份和水9～10份，所述份数为质量份数。
芯体隔板所用原料包括：80±20目高纯度硅微粉15～25份，铝粉5～15份，钛白粉3～7份，熟制铝酸钙5～15份，50～150目结晶碳化硅粉末5～15份，单晶硅粉末3～7份，质量浓度为30～40％的硅酸钠溶液25～35份和水9.5～10.5份，所述份数为质量份数。
上述芯体外壳的材料拥有陶瓷级别的强度和密封性能，具有耐高温、抗腐蚀的特性；同时可使微波穿透外壳，让微波能作用于芯体内壁和芯体隔板。芯体内壁在微波能作用下可迅速升温至1000～1100℃，该材料可耐温1100℃，满足微波活化滤芯所需的工艺温度。芯体隔板材料在微波条件下快速升温，本身具有耐高温、耐热震、耐腐蚀、微孔结构的特点。
上述微波条件下可重复使用的复合滤芯的制备方法，包括顺序相接的如下步骤：
A、将芯体外壳的原材料混匀、成型，微波辐射条件下，烧制1.5～2.5小时，得芯体外壳；
B、将芯体内壁的原材料混匀，均匀涂抹在芯体外壳内侧，涂层厚度为5～10mm，微波辐射条件下，烧制20～40分钟，得结合体；
C、将芯体隔板的原材料混匀，压制成多孔圆柱体，然后微波辐射条件下，烧制2.5～3.5h，然后切割为成厚度10～20mm的圆盘，作为芯体隔板；
D、将结合体内侧填入一节以上的活性炭填料，每节活性炭填料的两端均设芯体隔板。
步骤B中芯体内壁在烧制过程中形成一定的微孔结构，具有良好的保温隔热效果，保证微波再活化滤芯时所需的工艺温度和环境热稳定性要求。
滤芯正常工作时，污水、废气可通过滤芯中的隔板，隔板锁住滤芯内的活性炭及吸附物。滤芯吸附饱和后进入微波设备再活化，隔板在微波场强下自身放热，可保证芯体内的活性炭均匀受热；活性炭在微波再活化工艺中产生的尾气可通过隔板释放进入气体处理装置进行净化处理。较传统活性炭滤芯延长25倍以上。
为了进一步提高活化效果，上述步骤A为：将芯体外壳的原材料混匀放置8～12分钟后，放入练泥机成型，微波辐射条件下，烧制1.5～2.5小时，得芯体外壳，微波辐射功率为15～20kw；
步骤B为：先将水与碳酸氢钠粉末搅拌0.8～1.2分钟，此时水中出现大量泡沫，然后加入硅酸钠溶液继续搅拌1.5～2.5分钟，然后依次加入熟制铝酸钙、铝粉、高纯度硅微粉、结晶碳化硅粉末和单晶硅粉末，搅匀，然后将搅匀的物料均匀涂抹在芯体外壳内侧，涂层厚度为5～10mm，微波辐射条件下，烧制20～40分钟，得结合体，微波辐射功率为15～20kw；一般芯体重量在5～6kg；
步骤C为：先将水与硅酸钠溶液搅拌1.5～2.5分钟，然后依次加入熟制铝酸钙、铝粉、钛白粉、高纯度硅微粉、结晶碳化硅粉末和单晶硅粉末，搅拌均匀后放入练泥机压制成多孔圆柱体，然后微波辐射条件下，烧制2.5～3.5h，然后切割为成厚度10～20mm的圆盘，作为芯体隔板，微波辐射功率为15～20kw。
上述滤芯可用于废水、废气等的净化处理。
本申请复合滤芯的活化方法：将复合滤芯置于设有高温保温炉膛的微波炉内，在微波辐照条件下，在60～80分钟内升温至800±50℃，然后在800±50℃下继续保温30±5分钟，自然冷却至室温。前述800±50℃指滤芯内的温度，此时芯体内壁和芯体隔板的温度在1000～1100℃，申请人经研究发现，芯体内壁和芯体隔板中的碳化硅耐温可达1400-1600℃，碳化硅作为基材起结构强度作用，加入硅微粉可在1000℃左右呈现表面玻璃化，且不会熔化，不会产生形变，经实践验证，玻璃化状态的材料在微波场能中发热效率更高，冷却后强度也会增高，单晶硅粉末混在材料中在微波状态下极速升温，铝粉、铝酸钙和钛白粉在材料烧制成型过程中已经重组成三氧化二铝和钛酸铝，综上，芯体内壁和芯体隔板在再生活化过程中表面会有部分玻璃化现象，但并不影响材料本身结构完整性和强度，反而在微波状态下有更好的升温效率，平时未加热状态下玻璃化的材料表面可以更好的防水防渗。
上述微波炉内炉膛类似或参照马弗炉内炉膛，为高温保温炉膛。本申请复合滤芯为在微波条件下用特定配方烧制，形成的芯体外壳可使微波穿透直接照射入芯体内壁和隔板，同时外壳具有保温隔热和结构强度，芯体内壁和芯体隔板在微波照射下可以自身放热至1000～1100℃，该材料可耐温1100℃。滤芯在过滤污水等时吸附有机物和悬浮物，吸附原理是芯体内壁、隔板及芯体内填充的活性炭均有微孔，这些微孔可吸附污水中的有机物和悬浮物，吸附饱和后用微波发射源照射芯体，在微波照射下芯体外壳起保温和透波作用，芯体内壁和芯体隔板在微波条件下起升温作用。滤芯在800±50℃无氧环境下，被吸附的有机物蒸发成气体排出，部分残余物转换成活性炭，使芯体隔板和芯体内壁及活性炭重新形成孔状结构，活化完成后继续用于吸附。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明微波条件下可重复使用的复合滤芯，芯体外壳的材料拥有陶瓷级别的强度和密封性能，具有耐高温、抗腐蚀的特性，同时可使微波穿透，让微波能作用于芯体内壁和芯体隔板；芯体内壁在微波能作用下可迅速升温至1000～1100℃，该材料可耐温1100℃，满足微波活化滤芯所需的工艺温度；芯体隔板材料在微波条件下快速升温，具有耐高温、耐热震、耐腐蚀、微孔结构的特点；复合滤芯具有可重复使用、芯体强度高、耐热震性能好、耐酸碱腐蚀、耐高温的优点。
附图说明
图1为本发明芯体外壳结构示意图；
图2为本发明芯体内壁结构示意图；
图3为本发明芯体隔板结构示意图；
图4为本发明微波条件下可重复使用的复合滤芯结构示意图。
图中，1为芯体外壳，2为芯体内壁，3为芯体隔板。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
如图1～4所示，一种微波条件下可重复使用的复合滤芯，包括芯体外壳、芯体内壁、活性炭填料和芯体隔板；芯体外壳设在芯体内壁的外围；芯体内壁内侧设有一节高度为160mm的活性炭填料，活性炭填料的两端均设有芯体隔板。
芯体外壳和芯体内壁均为中空圆柱状结构，芯体内壁粘结在芯体外壳内侧；芯体隔板为圆形，隔板垂直于芯体内壁的轴向设置；芯体隔板为多孔结构，孔径为9mm，孔洞率为60％，孔的形状为方孔，孔的轴向与隔板的轴向同向。
芯体内壁为微孔结构；芯体内壁厚度为5mm；芯体隔板为微孔结构；芯体隔板的厚度为15mm；芯体外壳的厚度为5mm。
实施例2
与实施例1基本相同，所不同的是：芯体内壁厚度为8mm；芯体隔板的厚度为18mm；芯体外壳的厚度为8mm。芯体内壁内侧设有两节活性炭填料，每节活性炭填料的两端均设有芯体隔板，相邻两节活性炭填料之间的间距为180mm。
上述各例中微波条件下可重复使用的复合滤芯，均采用如下方法制备：
芯体外壳所用原料包括：1000目高纯度硅微粉(连云港浩特石英有限公司)30份，200目高纯度硅微粉(连云港浩特石英有限公司)20份，80目高纯度硅微粉(连云港浩特石英有限公司)10份，熟制铝酸钙(北极熊水泥厂的副产品)10份，硅酸钠溶液(40％wt)30份；
芯体内壁所用原料包括：10目结晶碳化硅粉末30份，600目高纯度硅微粉10份，铝粉5份，单晶硅粉末5份，熟制铝酸钙10份，硅酸钠溶液(40％wt)30份，碳酸氢钠粉末0.3～0.7份，水9.5份；
芯体隔板所用原料包括：80目高纯度硅微粉20份，铝粉10份，钛白粉5份，熟制铝酸钙10份，50～150目结晶碳化硅粉末10份，单晶硅粉末5份，硅酸钠溶液(40％wt)30份，水9.9份。
微波条件下可重复使用的复合滤芯的具体制备包括顺序相接的如下步骤：
A、将芯体外壳的原材料混匀放置10分钟后，放入练泥机成型，微波辐射条件下，烧制2小时，得芯体外壳，微波辐射功率为18kw；
B、先将水与碳酸氢钠粉末搅拌1分钟，此时水中出现大量泡沫，然后加入硅酸钠溶液继续搅拌2分钟，再依次加入熟制铝酸钙、铝粉、高纯度硅微粉、结晶碳化硅粉末和单晶硅粉末，搅匀，然后将搅匀的物料均匀涂抹在芯体外壳内侧，微波辐射条件下，烧制30分钟，得结合体，微波辐射功率为18kw；
C、先将水与硅酸钠溶液搅拌2分钟，再依次加入熟制铝酸钙、铝粉、钛白粉、高纯度硅微粉、结晶碳化硅粉末和单晶硅粉末，搅拌均匀后放入练泥机压制成多孔圆柱体，然后微波辐射条件下，烧制3h，冷却至常温，然后切割为圆盘，作为芯体隔板，微波辐射功率为18kw；
D、将结合体内侧填入一节以上的活性炭填料，每节活性炭填料的两端均设芯体隔板。
表1芯体外壳性能表
Figure BDA0002091724110000061
表2芯体内壁性能表
Figure BDA0002091724110000062
Figure BDA0002091724110000071
表3芯体隔板性能表
Figure BDA0002091724110000072
上述各例的芯体外壳的材料拥有陶瓷级别的强度和密封性能，具有耐高温、抗腐蚀的特性，同时可使微波穿透，让微波能作用于芯体内壁和芯体隔板；芯体内壁在微波能作用下可迅速升温至1000～1100℃，该材料可耐温1100℃，满足微波活化滤芯所需的工艺温度；芯体隔板材料在微波条件下快速升温，具有耐高温、耐热震、耐腐蚀、微孔结构的特点；复合滤芯具有可重复使用、芯体强度高、耐热震性能好、耐酸碱腐蚀、耐高温的优点。
上述各例的复合滤芯已成功的试用于喷漆车间的空气过滤，石油污泥、粪便污泥、印染污泥处理过程中挤出污水的过滤净化。
应用例
将实施例1的复合滤芯用于化粪池处理设备，用于处理化粪池内抽出的污物经固液分离后产生的黑水，该滤芯可连续工作，处理化粪池黑水78小时，每小时流量约100kg，即一次使用可处理7.8吨黑水，吸附饱和后(根据净化水的COD来衡量微波可再生复合滤芯是否饱和，当COD数值逼近3类水指标临界值时，视为饱和，进行再生处理，净化水的COD直接用COD检测仪检测)，在微波辐照条件下，在70～80分钟内升温至800℃，然后在800℃下继续保温30分钟后，自然冷却至室温，继续处理黑水，如此循环，再生活化25次后，复合滤芯的过滤效率衰减率11.8％。
滤芯达到饱和后，可以取出，放入微波设备活化后可继续使用；当然为了方便，也可以在废水过滤口加装滤芯和相匹配的微波发射源设备，滤芯达到饱和后开启微波直接蒸发掉滤芯内吸附的有机物再活化滤芯，需要注意的是活化过程中产生的尾气还需要经过气体处理装置净化后，方可排空，以防造成空气污染。本申请滤芯，可大规模用于石油污泥处理的大型流水线钢带式微波炉，也可用于化粪池污泥处理的小型微波设备，这些微波设备都配置有1100℃高温气体处理装置。

Claims (8)

1.一种微波条件下可重复使用的复合滤芯，其特征在于：包括芯体外壳、芯体内壁、活性炭填料和芯体隔板；芯体外壳设在芯体内壁的外围；芯体内壁内侧设有一节以上的活性炭填料，每节活性炭填料的两端均设有芯体隔板；芯体外壳和芯体内壁均为微孔结构，芯体隔板为多孔结构；
芯体外壳所用原料包括：1000±100目高纯度硅微粉25～35份，200±50目高纯度硅微粉15～25份，80±20目高纯度硅微粉5～15份，熟制铝酸钙5～15份和质量浓度为30～40％的硅酸钠溶液25～35份，所述份数为质量份数；
芯体内壁所用原料包括：50～150目结晶碳化硅粉末25～35份，600±100目高纯度硅微粉5～15份，铝粉3～7份，单晶硅粉末3～7份，熟制铝酸钙5～15份，质量浓度为30～40％的硅酸钠溶液25～35份，碳酸氢钠粉末0.3～0.7份和水9～10份，所述份数为质量份数；
芯体隔板所用原料包括：80±20目高纯度硅微粉15～25份，铝粉5～15份，钛白粉3～7份，熟制铝酸钙5～15份，50～150目结晶碳化硅粉末5～15份，单晶硅粉末3～7份，质量浓度为30～40％的硅酸钠溶液25～35份和水9.5～10.5份，所述份数为质量份数；
微波条件下可重复使用的复合滤芯的制备方法，包括顺序相接的如下步骤：
A、将芯体外壳的原材料混匀、成型，微波辐射条件下，烧制1.5～2.5小时，得芯体外壳；
B、将芯体内壁的原材料混匀，均匀涂抹在芯体外壳内侧，涂层厚度为5～10mm，微波辐射条件下，烧制20～40分钟，得结合体；
C、将芯体隔板的原材料混匀，压制成多孔圆柱体，然后微波辐射条件下，烧制2.5～3.5h，然后切割为成厚度10～20mm的圆盘，作为芯体隔板；
D、将结合体内侧填入一节以上的活性炭填料，每节活性炭填料的两端均设芯体隔板。
2.如权利要求1所述的微波条件下可重复使用的复合滤芯，其特征在于：芯体外壳和芯体内壁均为中空圆柱状结构，芯体内壁粘结在芯体外壳内侧；芯体隔板为圆形，隔板垂直于芯体内壁的轴向设置。
3.如权利要求1或2所述的微波条件下可重复使用的复合滤芯，其特征在于：芯体内壁厚度为3～10mm；芯体隔板的厚度为10～20mm；芯体外壳的厚度为3～10mm。
4.如权利要求1或2所述的微波条件下可重复使用的复合滤芯，其特征在于：当活性炭填料有两节以上时，相邻两节活性炭填料之间的间距为150～200mm；每节活性炭填料的高度为150～200mm。
5.如权利要求1或2所述的微波条件下可重复使用的复合滤芯，其特征在于：芯体隔板为多孔结构，孔径为8～10mm，孔洞率为50％～70％，孔的形状为方孔。
6.如权利要求1或2所述的微波条件下可重复使用的复合滤芯，其特征在于：步骤A为：将芯体外壳的原材料混匀放置8～12分钟后，放入练泥机成型，微波辐射条件下，烧制1.5～2.5小时，得芯体外壳，微波辐射功率为15～20kw。
7.如权利要求1或2所述的微波条件下可重复使用的复合滤芯，其特征在于：步骤B为：先将水与碳酸氢钠粉末搅拌0.8～1.2分钟，然后加入硅酸钠溶液继续搅拌1.5～2.5分钟，再依次加入熟制铝酸钙、铝粉、高纯度硅微粉、结晶碳化硅粉末和单晶硅粉末，搅匀，然后将搅匀的物料均匀涂抹在芯体外壳内侧，涂层厚度为5～10mm，微波辐射条件下，烧制20～40分钟，得结合体，微波辐射功率为15～20kw；
步骤C为：先将水与硅酸钠溶液搅拌1.5～2.5分钟，再依次加入熟制铝酸钙、铝粉、钛白粉、高纯度硅微粉、结晶碳化硅粉末和单晶硅粉末，搅拌均匀后放入练泥机压制成多孔圆柱体，然后微波辐射条件下，烧制2.5～3.5h，然后切割为成厚度10～20mm的圆盘，作为芯体隔板，微波辐射功率为15～20kw。
8.权利要求1-7任意一项所述的微波条件下可重复使用的复合滤芯的活化方法，其特征在于：将复合滤芯置于设有高温保温炉膛的微波炉内，在微波辐照条件下，在60～80分钟内升温至800±50℃，然后在800±50℃下继续保温30±5分钟，自然冷却至室温。
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