CN112645389B - 模拟自来水中胶体的混合胶体及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟自来水中胶体的混合胶体及其制备方法和应用。该混合胶体包括摩尔浓度比为(1～3):(0.5～1.5):(0.5～1.5)的氢氧化铁胶体、氢氧化铝胶体和硅酸胶体。本发明采用包括氢氧化铁胶体、氢氧化铝胶体和硅酸胶体的混合胶体，三种胶体缺一不可，并控制特定的摩尔浓度比范围，来模拟自来水中的胶体，通过验证证明，该混合胶体与自来水中的胶体具有高相似性，由其配制的模拟水与当地自来水对净水机的影响相似度在90％以上。
Description
技术领域
本发明涉及净水技术领域，特别是涉及一种模拟自来水中胶体的混合胶体及其制备方法和应用。
背景技术
我国自来水普及率高达99％以上，城市供水管道长度在35万公里以上，城市供水管老化、腐蚀问题严重，水质合格率下降10％～20％，居民生活饮用水安全问题受到前所未有的挑战。我国城市家庭净水机的拥有率很低，尚不足10％，目前在以20％～40％的速率发展，并呈现持续增长的趋势，拥有很大的市场及发展前景。然而，由于各地区水质情况不同，造成净水机滤芯堵塞及污染的情况也不相同，其中，自来水中的胶体直径一般为0.1um，容易聚集(如铝离子、硅、阻垢剂、三价铁胶体)造成超滤膜孔堵塞，并且各地区自来水中胶体含量也不相同，对净水机滤芯造成污染的情况也不相同。因此，需要对各地区的自来水中的胶体进行模拟，建立统一的标准，实现在实验室内评价各地区自来水中的胶体对滤芯的污染情况。
现有技术中，采用纳米二氧化硅、纳米氧化铁和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)来模拟自来水中的胶体。然而，该模拟胶体采用的纳米二氧化硅的制备流程复杂，制备周期长、成本高且实验反应温度较高。
发明内容
基于此，有必要针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种模拟自来水中胶体的混合胶体及其制备方法和应用。
一种模拟自来水中胶体的混合胶体，其特征在于，包括摩尔浓度比为(1～3):(0.5～1.5):(0.5～1.5)的氢氧化铁胶体、氢氧化铝胶体和硅酸胶体。
在其中一个实施例中，所述氢氧化铁胶体、氢氧化铝胶体和硅酸胶体的摩尔浓度比为2:1:1。
在其中一个实施例中，所述混合胶体的粒径为20nm～99nm。
本发明还提供一种模拟自来水中胶体的混合胶体的制备方法，包括如下步骤：制备氢氧化铁胶体、氢氧化铝胶体和硅酸胶体；然后将所述氢氧化铁胶体、氢氧化铝胶体和硅酸胶体按照(1～3):(0.5～1.5):(0.5～1.5)的摩尔浓度比混合，得到所述混合胶体。
在其中一个实施例中，所述制备氢氧化铁胶体的步骤包括：将氯化铁饱和溶液和碳酸钠饱和溶液按照(1～3):(0.5～1.5)的体积比混合反应，制得氢氧化铁胶体。
在其中一个实施例中，所述制备氢氧化铝胶体的步骤包括：将氯化铝饱和溶液和碳酸钠饱和溶液按照(1～3):(0.5～1.5)的体积比混合反应，制得氢氧化铝胶体。
在其中一个实施例中，所述制备硅酸胶体的步骤包括：将0.1mol/L～0.6mol/L的盐酸溶液和5wt％～15wt％的硅酸钠溶液按照(0.5～1.5):(0.5～1.5)的体积比混合反应，制得硅酸胶体。
本发明还提供一种模拟自来水，包括所述的模拟自来水中胶体的混合胶体。
本发明还提供如所述的模拟自来水中胶体的混合胶体或任一项所述的制备方法制得的混合胶体在评价净水滤芯性能中的用途。
本发明还提供一种模拟自来水中胶体的方法，包括如下步骤：按照任一项所述的制备方法制备混合胶体，然后根据实际需求浓度将所述混合胶体加到模拟水中。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用包括氢氧化铁胶体、氢氧化铝胶体和硅酸胶体的混合胶体，三种胶体缺一不可，并控制特定的摩尔浓度比范围，来模拟自来水中的胶体，通过验证证明，该混合胶体与自来水中的胶体具有高相似性，由其配制的模拟水与当地自来水对净水机的影响相似度在90％以上。
并且，采用本发明提供的混合胶体实现了简便、高效地模拟自来水中胶体，在实验室内便能够模拟各地区自来水中胶体，可提高自来水模拟的效率，快速重现售后问题，并有针对性的改进产品。
进一步地，将氢氧化铁胶体、氢氧化铝胶体和硅酸胶体按所述的摩尔浓度比混合便可直接用于模拟自来水中的胶体，并测量其SDI(污染指数)值，制备流程及测试方法简单易行。
附图说明
图1为实施例1制备的混合胶体的扫描电镜图；
图2为自来水中胶体的扫描电镜图；
图3和图4为模拟自来水与各地自来水的净水流率衰减曲线对比图；
图5为SDI测定仪的测定原理图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明的发明人通过不断研究发现，胶体种类的选择以及三者摩尔浓度比的控制是实现有效模拟水中胶体的关键技术，如果缺少其中一种胶体，或者三者的摩尔浓度比不在上述范围中，则会导致最终得到的模拟胶体出现粒径过大、过小、状态不稳定生成沉淀等问题，无法实现有效模拟自来水中的胶体。
而本发明通过验证证明，本发明提供的模拟自来水中胶体的混合胶体，包括摩尔浓度比为(1～3):(0.5～1.5):(0.5～1.5)的氢氧化铁(Fe(OH)3)胶体、氢氧化铝(Al(OH)3)胶体和硅酸(H2SiO3)胶体，与自来水中的胶体具有高相似性，由其配制的模拟水与当地自来水对净水机的影响相似度在90％以上。并且，采用本发明提供的混合胶体实现了简便、高效地模拟自来水中胶体，在实验室内便能够模拟各地区自来水中胶体，可提高自来水模拟的效率，快速重现售后问题，并有针对性的改进产品。
而且，由于胶体粒径在100nm以下，可以借助马尔文激光粒度仪及TEM电镜观察其粒径分布及微观形貌与自来水中胶体的相似性，表征现象简单明了。
在一些实施例中，在模拟自来水时，可以根据模拟自来水实际所需浓度加入混合胶体。
优选地，本发明提供的混合胶体的氢氧化铁胶体、氢氧化铝胶体和硅酸胶体的摩尔浓度比为2:1:1。
优选地，混合胶体的粒径为20nm～99nm。
本发明还提供上述模拟自来水中胶体的混合胶体的制备方法，包括如下步骤：
制备氢氧化铁胶体、氢氧化铝胶体和硅酸胶体；然后将氢氧化铁胶体、氢氧化铝胶体和硅酸胶体按照(1～3):(0.5～1.5):(0.5～1.5)的摩尔浓度比混合，得到混合胶体。
在一些实施例中，可以将制备的氢氧化铁胶体、氢氧化铝胶体和硅酸胶体用水分别稀释至相同浓度，如0.01mol/L，而后按体积比为(1～3):(0.5～1.5):(0.5～1.5)比例混合，制得混合胶体。
在一些实施例中，制备氢氧化铁胶体的步骤包括：将氯化铁饱和溶液和碳酸钠饱和溶液按照(1～3):(0.5～1.5)的体积比混合反应，制得氢氧化铁胶体。优选地，氯化铁饱和溶液和碳酸钠饱和溶液的体积比为2:1。
在一些实施例中，制备氢氧化铝胶体的步骤包括：将氯化铝饱和溶液和碳酸钠饱和溶液按照(1～3):(0.5～1.5)体积比混合反应，制得氢氧化铝胶体。优选地，氯化铝饱和溶液和碳酸钠饱和溶液的体积比为2:1。
在一些实施例中，制备硅酸胶体的步骤包括：将0.1mol/L～0.6mol/L的盐酸溶液和5wt％～15wt％的硅酸钠溶液按照(0.5～1.5):(0.5～1.5)的体积比混合反应，制得硅酸胶体。
优选地，盐酸溶液的浓度为0.4mol/L，硅酸钠溶液的质量百分数为10wt％，盐酸溶液与硅酸钠溶液的体积比为1:1。
可理解的，静置观察制备的胶体溶液具有丁达尔效应，且将其放置一段时间后溶液性质较为稳定，不会出现聚沉。
本发明还提供一种模拟自来水，包括上述的模拟自来水中胶体的混合胶体。
本发明还提供如上述的模拟自来水中胶体的混合胶体或上述的制备方法制得的混合胶体在评价净水滤芯性能中的用途。
本发明还提供一种模拟自来水中胶体的方法，包括如下步骤：按照上述的制备方法制备混合胶体，然后根据实际需求浓度将所述混合胶体加到模拟水中。
采用本发明提供的混合胶体实现了简便、高效地模拟自来水中胶体，在实验室内便能够模拟各地区自来水中胶体，可提高自来水模拟的效率，快速重现售后问题，并有针对性的改进产品。
进一步地，该混合胶体稀释后便可直接用于模拟自来水中的胶体，并测量其SDI值，制备流程及测试方法简单易行。
以下为具体实施例
实施例1
制备Fe(OH)3胶体：
分别制备氯化铁和碳酸钠的饱和溶液，将氯化铁饱和溶液和碳酸钠饱和溶液按体积比为2:1混合，静置观察所制备的胶体溶液具有丁达尔效应，且将其放置一段时间后溶液性质较为稳定，不会出现聚沉。
制备Al(OH)3胶体：
分别制备氯化铝饱和溶液与碳酸钠饱和溶液，将两者按体积比为2:1混合，震荡，静置观察所制备的胶体溶液具有丁达尔效应，且将其放置一段时间后溶液性质较为稳定，不会出现聚沉。
制备H2SiO3胶体：
分别制备0.4mol/L的盐酸溶液与10wt％的硅酸钠溶液。量取一定体积的硅酸钠溶液，按体积比1:1加入盐酸溶液，震荡，制得透明硅酸胶体，静置观察所制备的胶体溶液具有丁达尔效应，且将其放置一段时间后溶液性质较为稳定，不会出现聚沉。
制备混合胶体：
将上述Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3胶体浓度分别稀释为0.01mol/L，而后按体积比为2:1:1比例混合，制得混合胶体。
制备模拟自来水
将制得的混合胶体按8*10-6mol/L加入模拟测试水中。
表征测试
1利用微观表征确定混合胶体与自来水中胶体的相似性：
1.1通过图1和图2的扫描电镜发现，混合胶体与自来水中胶体的颗粒、形貌相近。
1.2通过马尔文激光粒度仪测试，结果如表1所示：发现混合胶体与自来水中胶体的胶体粒径相似。
表1
| 名称 | 粒径(nm) |
| 自来水中胶体 | 58.77 |
| 混合胶体 | 58.709 |
2同步进行模拟水及全国各地水通水验证，通过图3和图4的净水流率衰减曲线图发现：模拟自来水与当地自来水对净水机的影响相似度在90％以上。
测定SDI值
采用SDI测定仪(测定原理如图5所示)，将模拟自来水与实际自来水进行SDI测试数据对比，结果如表2所示，误差保持在10％以内。
表2
| 序号 | 某地自来水 | 模拟自来水 |
| SDI平行测试1 | 3.7 | 3.9 |
| SDI平行测试2 | 3.6 | 3.85 |
| SDI平行测试3 | 3.6 | 3.8 |
对比例1
与实施例1的制备方法类似，区别仅在于，不含有Fe(OH)3胶体。
采用SDI测定仪，将模拟自来水与实际自来水进行SDI测试数据对比，结果如表3所示，
表3
| 序号 | 某地自来水 | 模拟自来水 |
| SDI平行测试1 | 3.7 | 5.1 |
| SDI平行测试2 | 3.6 | 5.3 |
| SDI平行测试3 | 3.6 | 5.4 |
由表3可知，当模拟自来水中只加入Al(OH)3、H2SiO3两种胶体，其测得SDI值与实际自来水差别较大。
对比例2
与实施例1的制备方法类似，区别在于，在制备混合胶体的步骤中，将上述Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3胶体浓度分别稀释为0.01mol/L，而后按体积比为1:2:2混合。
采用SDI测定仪，将模拟自来水与实际自来水进行SDI测试数据对比，结果如表4所示，
表4
| 序号 | 某地自来水 | 模拟自来水 |
| SDI平行测试1 | 3.7 | 4.5 |
| SDI平行测试2 | 3.6 | 4.7 |
| SDI平行测试3 | 3.6 | 4.4 |
由表4可知，当改变3种胶体的浓度比，测得的SDI值与实际自来水差别较大。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种模拟自来水中胶体的混合胶体，其特征在于，包括摩尔浓度比为(1～3):(0.5～1.5):(0.5～1.5)的氢氧化铁胶体、氢氧化铝胶体和硅酸胶体。
2.根据权利要求1所述的模拟自来水中胶体的混合胶体，其特征在于，所述氢氧化铁胶体、氢氧化铝胶体和硅酸胶体的摩尔浓度比为2:1:1。
3.根据权利要求1所述的模拟自来水中胶体的混合胶体，其特征在于，所述混合胶体的粒径为20nm～99nm。
4.一种模拟自来水中胶体的混合胶体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
制备氢氧化铁胶体、氢氧化铝胶体和硅酸胶体；然后将所述氢氧化铁胶体、氢氧化铝胶体和硅酸胶体按照(1～3):(0.5～1.5):(0.5～1.5)的摩尔浓度比混合，得到所述混合胶体。
5.根据权利要求4所述的模拟自来水中胶体的混合胶体的制备方法，其特征在于，所述制备氢氧化铁胶体的步骤包括：
将氯化铁饱和溶液和碳酸钠饱和溶液按照(1～3):(0.5～1.5)的体积比混合反应，制得氢氧化铁胶体。
6.根据权利要求4所述的模拟自来水中胶体的混合胶体的制备方法，其特征在于，所述制备氢氧化铝胶体的步骤包括：
将氯化铝饱和溶液和碳酸钠饱和溶液按照(1～3):(0.5～1.5)的体积比混合反应，制得氢氧化铝胶体。
7.根据权利要求4所述的模拟自来水中胶体的混合胶体的制备方法，其特征在于，所述制备硅酸胶体的步骤包括：
将0.1mol/L～0.6mol/L的盐酸溶液和5wt％～15wt％的硅酸钠溶液按照(0.5～1.5):(0.5～1.5)的体积比混合反应，制得硅酸胶体。
8.一种模拟自来水，其特征在于，包括权利要求1～3任一项所述的模拟自来水中胶体的混合胶体。
9.如权利要求1～3任一项所述的模拟自来水中胶体的混合胶体或权利要求4～7任一项所述的制备方法制得的混合胶体在评价净水滤芯性能中的用途。
10.一种模拟自来水中胶体的方法，其特征在于，包括如下步骤：按照权利要求4～7任一项所述的制备方法制备混合胶体，然后根据实际需求浓度将所述混合胶体加到模拟水中。
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