CN111530418A - 一种用于提高饮用水口感的活性炭棒 - Google Patents

一种用于提高饮用水口感的活性炭棒 Download PDF

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Abstract

本发明属于饮用水过滤技术领域，具体涉及一种用于提高饮用水口感的活性炭棒，包括以下重量份的原料：粉末活性炭72份～80份、黏结剂9份～20份、表面活性剂5份～8份、改性碳化硅纤维5份～8份，其制备方法包括以下步骤：将粉末活性炭干燥后称取，将黏结剂和粉末活性炭混合，再加入表面活性剂浸渍，继续混合，制得混合粉体，将混合粉体加入挤压机中压制，制得坯件并干燥，将坯件先预热再烧结，保温制得烧结体，将烧结体冷却、脱模，将脱模后的烧结体进行切割、表面修整，制得活性炭棒，本发明中的粉末活性炭和改性碳化硅纤维具有大量且有序排列的微孔，使得活性炭棒的对各种异味的吸附能力得到很好的提升，还具有抗菌性能。

Description

一种用于提高饮用水口感的活性炭棒
技术领域
本发明涉及技术领域，尤其涉及一种用于提高饮用水口感的活性 炭棒。
背景技术
随着生活水平的的日益改善，人们对饮用水的要求越来越高，口 感是评价饮用水质量的一项关键指标，是反映水质好坏的综合项目， 它也直接影响消费者对饮用水特别是高端饮用水的接受程度，水的口 感取决于水自然成分及收到污染后所包含的其他组分的含量，经过不 同水质的饮用水冲泡出来的茶饮品口感也大不相同，研究发现，多数 浮游藻类都会产生异臭物质，而蓝藻是引起水体异臭最频繁的藻类， 藻类致嗅主要分为两类：一是藻类代谢物往往带有异味，尤其是鱼腥 味、土腥味，二是藻类的胞外物质分解，死亡藻类细胞的解体，使得 细胞内物质进入水中，释放出嗅味化合物，我国新颁布的《生活饮用 水卫生标准》(GB5749-2006)附录A中关于水质参考指标及限值规 定，出厂水中土臭素和二甲基异莰醇的限值为0.00001mg/L。
饮用水的异嗅异味日益引起人们的重视，城市供水中出现令人不 愉快的气味，引起用户对水质感官上的不满，已成为世界各国给水处 理中普遍存在的一个问题，嗅味会给人体感官产生不舒服感，影响水 的使用性，损害饮用水质量，当产生嗅味的某些物质浓度过高时，还 会直接损害人体健康，饮用水中致嗅物质主要有土臭素、2-甲基异茨 醇、2-甲氧基-3-异丙基吡嗪(IPMP)、2-甲氧基-3异丁基吡嗪(IBMP)、2,3,6-三氯苯甲醚(TCA)等，最常见的是土臭素和2-甲基异茨醇， 土臭素是一种具有土嗅味的物质，2-甲基异茨醇具有霉味，两者主要 是藻类和放线菌的代谢产物，即使在水中含量很小时，也会产生嗅味， 由于水中典型嗅味物质的浓度和嗅阈值都很低，传统工艺对其去除有 限，因此需要根据水源的实际情况选择适合的工艺，水厂对饮用水中 致嗅物质的去除技术主要有吸附法和氧化法，其中对土臭素(GSM)、 二甲基异冰片(2－MIB)等致嗅物质的去除，吸附法要优于氧化法，活性炭是去除水中嗅味较为有效的吸附剂，因此就需要一种能有效去 除异味、改善水的口感且机械强度和使用寿命均较高的活性炭棒来解 决这些问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在传统工艺对饮用水的 除异味、改善口感的效果较差的缺点，而提出的一种用于提高饮用水 口感的活性炭棒。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种用于提高饮用水口感的活性炭棒，包括以下重量份的原料： 粉末活性炭72份～80份，黏结剂15份～20份，表面活性剂5份～8 份，改性碳化硅纤维5份～8份，其制备方法包括以下步骤：
S1.备料，选取粒径为30μm～60μm的粉末活性炭在100℃～ 120℃的真空烘箱中干燥5h后，按照上述配比分别称取粉末活性炭、 黏结剂和表面活性剂。
S2.混料，将上述粉末活性炭和黏结剂加入高速混料机中在5 r/min～20r/min的转速下混合5min～30min，再加入表面活性剂 浸渍10h～16h，然后继续混合5min～30min，制得混合粉体。
S3.压制胚体，将上述混合粉体加入挤压机的模具中进行压制， 制得密度≥2.45g/cm3的坯件，并进行干燥。
S4.烧结，将上述坯件在半自动烧结炉中先以3℃/min～5℃ /min的升温速度加热到100℃～150℃下预热5min～30min，烧 结条件在氮气或氩气保护下，再以3℃/min～5℃/min的升温速度 加热到200℃～300℃下烧结，保温1.5h～4.5h制得烧结体。
S5.后处理，将上述烧结体冷却、脱模，将脱模后的烧结体进行 切割、表面修整，加工成品，即制得活性炭棒。
优选的，所述粉末活性炭为椰壳活性炭，椰壳活性炭的容积密度 ≤0.52g/cc，碘吸附值≥1100mg/g。
优选的，所述黏结剂为超高分子量聚乙烯或超高分子量聚丙烯或 硅酸盐，所述超高分子量聚乙烯的分子量为200万～650万，粒径为 100目～350目。
优选的，所述表面活性剂为浓度为10％～30％的KCl和ZnSO4混合溶液，浸渍时间为10h～16h。
优选的，所述原料还包括改性碳化硅纤维，改性碳化硅纤维由质 量比为50：X1(X1＝1～5)的聚碳硅烷与改性剂共混制得，所述改性 剂由质量比为X2：X3(X2＝5～15,X3＝1～5)的端羟基聚丁二烯与茶 多酚组成，聚碳硅烷的分子量为1620，端羟基聚丁二烯的分子量为 3500。
优选的，所述改性碳化硅纤维的制备，包括以下步骤：将聚碳硅 烷与端羟基聚丁二烯在260℃下熔融共混制得共混物，再将共混物 熔融纺丝制得先驱纤维，将先驱纤维在1250℃、氮气保护下烧成碳 化硅纤维，最后，将冷却后的碳化硅纤维、茶多酚和水先在90℃下 搅拌共混再脱水烘干制得改性碳化硅纤维。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中，活性炭棒由粉末活性炭、黏结剂和表面活性剂制 得，粉末活性炭具有大量且有序排列的微孔，经过改性碳化硅纤维的 改性，活性炭的比表面积高达1536m2/g，使得活性炭棒的对各种异 味的吸附能力得到很好的提升，且在制备方法中，加入浸渍溶液，使 得炭棒保留了一定能够改善口感的无机离子，提升饮水的口感。
2、本发明中，相较于改性前的活性炭棒，经过改性而制得的活 性炭棒在使用时，初始出水中只有极少量黑水流出，对水质异嗅味具 有很好的吸附效果，同时该活性炭棒能够大幅度改善饮水口感，且活 性炭棒具有极高的孔隙率，改善亲水性能强，增强了纯水通量，并且 其吸附能力大幅度提升、去除余氯去除效果好、口感好，有效去除异 味。
3、本发明中，将改性碳化硅纤维是将聚碳硅烷和端羟基聚丁二 烯混合，制得高强度碳化硅纤维，再将碳化硅纤维与茶多酚共混，通 过碳化硅纤维上的羟基与茶多酚表面的酚羟基之间形成氢键作用，进 而形成物理交联网络，使得制得的活性炭棒具有更好的稳定性和更高 的机械强度。
4、本发明中，茶多酚的表面及孔内表面分布有大量的羟基，这 些羟基在水溶液中会促进水分子分解出H+，从而使活性炭棒表现出 一定的负电性，对于带正电荷的胶体态污染物来说，会被负电性所吸 引，因此活性炭棒会表现出吸附能力，由于茶多酚是一类天然提取的 多酚类化合物，具有优异的抗菌性、抗氧化性等优良性质，使得该活 性炭棒具有良好的抗菌性能，并提高了活性炭棒的使用寿命。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显 然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施 例。
实施例一
一种用于提高饮用水口感的活性炭棒，包括以下重量份的原料： 椰壳活性炭72份，超高分子量聚乙烯20份，表面活性剂8份，椰壳 活性炭的容积密度≤0.52g/cc，碘吸附值≥1100mg/g，超高分子量 聚乙烯的分子量为200万～650万，粒径为100目～350目，表面活 性剂为中性且浓度为20％的KCl和ZnSO4混合溶液。
其制备方法，包括以下步骤：
S1.备料，选取粒径为30μm的椰壳活性炭在100℃的真空烘 箱中干燥5h后，按照上述配比称取椰壳活性炭、超高分子量聚乙烯 和表面活性剂。
S2.混料，将椰壳活性炭和超高分子量聚乙烯加入高速混料机中 在15r/min的转速下混合25min，再加入表面活性剂浸渍12h，然 后继续混合20min，制得混合粉体。
S3.压制胚体，将上述混合粉体加入挤压机的模具中进行压制， 制得密度≥2.45g/cm3的坯件，并进行干燥。
S4.烧结，将上述坯件在半自动烧结炉中先以3℃/min的升温速 度加热到150℃下预热20min，烧结条件在氮气或氩气保护下，再 以3℃/min的升温速度加热到300℃下烧结，保温2h制得烧结体。
S5.后处理，将上述烧结体冷却、脱模，将脱模后的烧结体进行 切割、表面修整，加工成品，即制得活性炭棒。
实施例二
一种用于提高饮用水口感的活性炭棒，包括以下重量份的原料： 粉末活性炭75份，超高分子量聚乙烯12份，改性碳化硅纤维5份， 表面活性剂8份。
其制备方法，包括以下步骤：
S1.制备改性碳化硅纤维，将聚碳硅烷与端羟基聚丁二烯在 260℃下熔融共混制得共混物，再将共混物熔融纺丝制得先驱纤维， 将先驱纤维在1250℃、氮气保护下烧成碳化硅纤维，最后，将冷却 后的碳化硅纤维、茶多酚和水先在90℃下搅拌共混再脱水烘干制得 改性碳化硅纤维。
S2.备料，选取粒径为30μm的粉末活性炭在100℃的真空烘 箱中干燥5h后，按照上述配比称取粉末活性炭、超高分子量聚乙烯、 改性碳化硅纤维和表面活性剂。
S3.混料，将粉末活性炭、改性碳化硅纤维和超高分子量聚乙烯 加入高速混料机中在15r/min的转速下混合25min，再加入表面活 性剂浸渍12h，然后继续混合20min，制得混合粉体。
S4.压制胚体，将上述混合粉体加入挤压机的模具中进行压制， 制得密度≥2.45g/cm3的坯件，并进行干燥。
S5.烧结，将上述坯件在半自动烧结炉中先以5℃/min的升温速 度加热到150℃下预热20min，烧结条件在氮气或氩气保护下，再 以5℃/min的升温速度加热到300℃下烧结，保温2h制得烧结体。
S6.后处理，将上述烧结体冷却、脱模，将脱模后的烧结体进行 切割、表面修整，加工成品，即制得活性炭棒。
实施例三
一种用于提高饮用水口感的活性炭棒，包括以下重量份的原料： 粉末活性炭75份，超高分子量聚乙烯11份，改性碳化硅纤维6份， 表面活性剂8份。
其制备方法，包括以下步骤：
S1.制备改性碳化硅纤维，将聚碳硅烷与端羟基聚丁二烯在 260℃下熔融共混制得共混物，再将共混物熔融纺丝制得先驱纤维， 将先驱纤维在1250℃、氮气保护下烧成碳化硅纤维，最后，将冷却 后的碳化硅纤维、茶多酚和水先在90℃下搅拌共混再脱水烘干制得 改性碳化硅纤维。
S2.备料，选取粒径为30μm的粉末活性炭在100℃的真空烘 箱中干燥5h后，按照上述配比称取粉末活性炭、超高分子量聚乙烯、 改性碳化硅纤维和表面活性剂。
S3.混料，将粉末活性炭、改性碳化硅纤维和超高分子量聚乙烯 加入高速混料机中在15r/min的转速下混合25min，再加入表面活 性剂浸渍12h，然后继续混合20min，制得混合粉体。
S4.压制胚体，将上述混合粉体加入挤压机的模具中进行压制， 制得密度≥2.45g/cm3的坯件，并进行干燥。
S5.烧结，将上述坯件在半自动烧结炉中先以3℃/min的升温速 度加热到150℃下预热20min，烧结条件在氮气或氩气保护下，再 以3℃/min的升温速度加热到300℃下烧结，保温2h制得烧结体。
S6.后处理，将上述烧结体冷却、脱模，将脱模后的烧结体进行 切割、表面修整，加工成品，即制得活性炭棒。
实施例四
一种用于提高饮用水口感的活性炭棒，包括以下重量份的原料： 粉末活性炭75份，超高分子量聚乙烯10份，改性碳化硅纤维7份， 表面活性剂8份。
其制备方法，包括以下步骤：
S1.制备改性碳化硅纤维，将聚碳硅烷与端羟基聚丁二烯在 260℃下熔融共混制得共混物，再将共混物熔融纺丝制得先驱纤维， 将先驱纤维在1250℃、氮气保护下烧成碳化硅纤维，最后，将冷却 后的碳化硅纤维、茶多酚和水先在90℃下搅拌共混再脱水烘干制得 改性碳化硅纤维。
S2.备料，选取粒径为30μm的粉末活性炭在100℃的真空烘 箱中干燥5h后，按照上述配比称取粉末活性炭、超高分子量聚乙烯、 改性碳化硅纤维和表面活性剂。
S3.混料，将粉末活性炭、改性碳化硅纤维和超高分子量聚乙烯 加入高速混料机中在15r/min的转速下混合25min，再加入表面活 性剂浸渍12h，然后继续混合20min，制得混合粉体。
S4.压制胚体，将上述混合粉体加入挤压机的模具中进行压制， 制得密度≥2.45g/cm3的坯件，并进行干燥。
S5.烧结，将上述坯件在半自动烧结炉中先以3℃/min的升温速 度加热到150℃下预热20min，烧结条件在氮气或氩气保护下，再 以3℃/min的升温速度加热到300℃下烧结，保温2h制得烧结体。
S6.后处理，将上述烧结体冷却、脱模，将脱模后的烧结体进行 切割、表面修整，加工成品，即制得活性炭棒。
实施例五
一种用于提高饮用水口感的活性炭棒，包括以下重量份的原料： 粉末活性炭75份，超高分子量聚乙烯9份，改性碳化硅纤维8份， 表面活性剂8份。
其制备方法，包括以下步骤：
S1.制备改性碳化硅纤维，将聚碳硅烷与端羟基聚丁二烯在 260℃下熔融共混制得共混物，再将共混物熔融纺丝制得先驱纤维， 将先驱纤维在1250℃、氮气保护下烧成碳化硅纤维，最后，将冷却 后的碳化硅纤维、茶多酚和水先在90℃下搅拌共混再脱水烘干制得 改性碳化硅纤维。
S2.备料，选取粒径为30μm的粉末活性炭在100℃的真空烘 箱中干燥5h后，按照上述配比称取粉末活性炭、超高分子量聚乙烯、 改性碳化硅纤维和表面活性剂。
S3.混料，将粉末活性炭、改性碳化硅纤维和超高分子量聚乙烯 加入高速混料机中在15r/min的转速下混合25min，再加入表面活 性剂浸渍12h，然后继续混合20min，制得混合粉体。
S4.压制胚体，将上述混合粉体加入挤压机的模具中进行压制， 制得密度≥2.45g/cm3的坯件，并进行干燥。
S5.烧结，将上述坯件在半自动烧结炉中先以3℃/min的升温速 度加热到150℃下预热20min，烧结条件在氮气或氩气保护下，再 以3℃/min的升温速度加热到300℃下烧结，保温2h制得烧结体。
S6.后处理，将上述烧结体冷却、脱模，将脱模后的烧结体进行 切割、表面修整，加工成品，即制得活性炭棒。
结果与分析
(1)微孔表征结果与分析
将实施例一～五制得的尺寸为Ф60*254mm2活性炭棒，应用在水 处理设备中进行过滤水处理试验，同时拿对比例制得的尺寸为Ф 60*254mm2活性炭棒进行对比。
选取国产活性炭，采用上述中的方法和配比制得活性炭棒，作为 对比例。
表1活性炭棒的微孔表征(％)
Figure BDA0002476662540000101
Figure BDA0002476662540000111
一般吸附剂的比表面积越大、孔结构越发达，其吸附容量也越大， 从而分离能力也越强。
由表1可知，随着改性碳化硅纤维的加入，由于其优异的比表面 积以及吸附参数，使得炭棒表现出更强的吸附性能，这是因为改性碳 化硅纤维拥有着分布比较狭窄的微孔结构，在吸附、脱附的速率上远 大于活性炭，甚至超过两个数量级，并且吸附量也是非常大的，其微 小孔隙主要是由石墨微晶和乱层结构炭形成的，改性碳化硅纤维之所 以有较大的比表面积正是由于这些孔隙的存在，同时，还有凝聚作用， 因为它的孔隙类似于毛细血管，比较大的孔一般起到通道的作用，使 得吸附质分子能够到达吸附位，同时还可以吸附一些大于微孔尺寸的 分子。
(2)去除率测试结果与分析
表2活性炭吸附各类异味分子的去除率(％)
Figure BDA0002476662540000112
Figure BDA0002476662540000121
研究表明，饮用水中致嗅物质主要有：土臭素、2-甲基异茨醇、 2-甲氧基-3-异丙基吡嗪(IPMP)、2-甲氧基-3异丁基吡嗪(IBMP)、 2,3,6-三氯苯甲醚(TCA)等。
由表2的可知，随着改性碳化硅纤维的加入，炭棒对异味的吸附 能力呈现上升的趋势，这得益于改性碳化硅纤维中丰富的微孔结构， 使得其具有较大的比表面积及孔隙率，因此可以显著增加活性吸附位 点的数量，有效地吸附异味分子。
(3)水处理测试结果与分析
表3水处理测试结果
Figure BDA0002476662540000122
由表3中可知，随着改性碳化硅纤维的加入，使得本发明制得的 活性炭棒的吸附性能增强，使得其吸附性能叠加增强，因为改性碳化 硅纤维具有大量且有序排列的微孔，从而该活性炭棒具有很大的比表 面积，而且茶多酚的表面及孔内表面分布有大量的羟基，这些羟基在 水溶液中促进水分子分解出H+，从而使该活性炭棒表现出一定的负 电性，对于带正电荷的胶体态污染物来说，可通过电中和而使胶体被 吸引，有助于提高活性炭棒的吸附能力。
(4)力学性能测试结果与分析
将实施例一～五和对比例制得的尺寸为Ф60*254mm2活性炭棒， 进行力学性能测试，测试结果如表4所示：
表4力学性能测试结果
Figure BDA0002476662540000131
由表4中可知，改性碳化硅纤维的加入，使得本发明制得的活性 炭棒力学性能优良，因为将带有端羟基茶多酚与改性碳化硅纤维共 混，进而形成物理交联网络，使得制得的活性炭棒具有更好的稳定性 和更高的机械强度。
将实施例一～五和对比例制得的活性炭棒，分别进行抑菌测试， 与实施例二、三、四、五和对比例相比，实施例二、三、四、五制得 的活性炭棒均对大肠杆菌和金黄色葡萄球表现出很好的抑菌性能，且 随着茶多酚浓度的增加，抑菌性能也在增大。
本发明制得的烧结炭棒在饮用水处理过程中，该炭棒能够大幅度 改善饮水口感，相比一般烧结炭棒其比表面积增加了100％以上，平 均孔径为一般烧结炭棒的14％，对异味吸附性能提高50％以上，强 度增加50％，寿命增加10％。
本发明在活性炭棒原材料粉末活性炭、黏结剂中加入了改性碳化 硅纤维，使得活性炭棒的吸附能力提升，同时其机械强度、寿命和抑 菌性能均得以提高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范 围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技 术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改 变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于提高饮用水口感的活性炭棒，包括以下重量份的原料：粉末活性炭72份～80份，黏结剂15份～20份，表面活性剂5份～8份，其制备方法包括以下步骤：
S1.备料，选取粒径为30μm～60μm的粉末活性炭在100℃～120℃的真空烘箱中干燥5h后，按照上述配比分别称取粉末活性炭、黏结剂和表面活性剂。
S2.混料，将上述粉末活性炭和黏结剂加入高速混料机中在5r/min～20r/min的转速下混合5min～30min，再加入表面活性剂浸渍10h～16h，然后继续混合5min～30min，制得混合粉体。
S3.压制胚体，将上述混合粉体加入挤压机的模具中进行压制，制得密度≥2.45g/cm3的坯件，并进行干燥。
S4.烧结，将上述坯件在半自动烧结炉中先以3℃/min～5℃/min的升温速度加热到100℃～150℃下预热5min～30min，烧结条件在氮气或氩气保护下，再以3℃/min～5℃/min的升温速度加热到200℃～300℃下烧结，保温1.5h～4.5h制得烧结体。
S5.后处理，将上述烧结体冷却、脱模，将脱模后的烧结体进行切割、表面修整，加工成品，即制得活性炭棒。
2.根据权利要求1所述的一种用于提高饮用水口感的活性炭棒，其特征在于，所述粉末活性炭为椰壳活性炭，椰壳活性炭的容积密度≤0.52g/cc，碘吸附值≥1100mg/g。
3.根据权利要求1所述的一种用于提高饮用水口感的活性炭棒，其特征在于，所述黏结剂为超高分子量聚乙烯或超高分子量聚丙烯或硅酸盐，所述超高分子量聚乙烯的分子量为200万～650万，粒径为100目～350目。
4.根据权利要求1所述的一种用于提高饮用水口感的活性炭棒，其特征在于，所述表面活性剂为浓度为10％～30％的KCl和ZnSO4混合溶液，浸渍时间为10h～16h。
5.根据权利要求1所述的一种用于提高饮用水口感的活性炭棒，其特征在于，所述原料还包括改性碳化硅纤维，改性碳化硅纤维由质量比为50：X1(X1＝1～5)的聚碳硅烷与改性剂共混制得，所述改性剂由质量比为X2：X3(X2＝5～15,X3＝1～5)的端羟基聚丁二烯与茶多酚组成，聚碳硅烷的分子量为1620，端羟基聚丁二烯的分子量为3500。
6.根据权利要求5所述的一种用于提高饮用水口感的活性炭棒，其特征在于，所述改性碳化硅纤维的制备，包括以下步骤：将聚碳硅烷与端羟基聚丁二烯在260℃下熔融共混制得共混物，再将共混物熔融纺丝制得先驱纤维，将先驱纤维在1250℃、氮气保护下烧成碳化硅纤维，最后，将冷却后的碳化硅纤维、茶多酚和水先在90℃下搅拌共混再脱水烘干制得改性碳化硅纤维。
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