CN113087097A - 一种用于水体消毒的高效复合滤料及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

一种用于水体消毒的高效复合滤料及其制备工艺，所述滤料，按质量份数计，由以下组分构成：赤泥50~55份、椰壳活性炭35~15份、膨润土10~15份、纳米氧化锌10~15份、聚二烯丙基二甲基氯化铵10~15份、煤粉8~10份、成型剂1~2份。本发明所述的用于水体消毒的高效复合滤料及其制备工艺，配方合理，制备工艺简单，成本低廉、产量大，可以抑制水中微生物生长，具有长效显著的抑菌性能，对余氯、COD、三氯甲烷和四氯化碳的去除效果较好，减少了消毒剂投量从而使消毒副产物对人类健康产生的风险有所降低，实现了对赤泥的有效利用和“以废治废”，应用前景广泛。

Description

一种用于水体消毒的高效复合滤料及其制备工艺

技术领域

本发明属于水体净化滤料技术领域，具体涉及一种用于水体消毒的高效复合滤料及其制备工艺。

背景技术

近三十多年来，随着全球工业化和城镇化的快速发展，环境污染已经成为困扰人类的一大生活难题，而其中水体污染对人类的威胁更是日益严重。由于水质差，特别是由于水中存在细菌和病毒，大多数水传播疾病正在蔓延。因此，在使用之前净化水是至关重要的，因为它是人类生存的基本需求之一。

据2015年水质监测数据统计，我国7亿人饮用水源不合格，1.6亿人饮用受有机物污染的水源，大肠杆菌超标率达86％。大肠埃希氏菌等细菌是与粪便微生物污染水有关的常见细菌。这些细菌尽管存在于人和动物的正常肠道菌群中，但当它们通过摄入进入身体的其他部位时可能引起感染。水体可能受到各种细菌、病毒、原虫和寄生虫的污染而成为传播疾病的媒介，对人类而言，由微生物造成的最大危害是各种传染病的流行。近年来因水环境中的病原菌带来的水环境问题愈加严重，其中，在病原菌中的致病性大肠杆菌引起的感染性腹泻等肠道疾病率呈现明显上升趋势，由细菌引发的疾病对人类的身体健康造成严重的影响。

现阶段，国内污水处理率并不是十分的理想，只是在传统的污水处理上进行简单的污染源治理与污染物浓度达标层次。而目前国内污水处理主要是通过进行划片污染处理。为了改善水环境的质量，使水污染防治工作的脚步稳步前进同时促进水生态环境的可持续发展，解决水环境中存在的微生物污染问题，开发出一种用于水体消毒的高效复合滤料及其制备工艺显得尤为重要。

中国专利申请号为CN201610732106.X公开了一种作为水体除磷滤料的电化石及其制备方法，解决的是除磷方法中存在的金属钝化、造价昂贵和时效性欠缺等问题，无法对水体中病原微生物进行去除，还需要进一步提高。

发明内容

发明目的：为了克服以上不足，本发明的目的是提供一种用于水体消毒的高效复合滤料及其制备工艺，配方合理，制备工艺简单，成本低廉、产量大，制得的复合滤料可以抑制水中微生物生长，具有长效显著的抑菌性能，对余氯、COD、三氯甲烷和四氯化碳的去除效果较好，减少了消毒剂投量从而使消毒副产物对人类健康产生的风险有所降低，实现了对赤泥的有效利用和“以废治废”，应用前景广泛。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于水体消毒的高效复合滤料，其特征在于，所述滤料，按质量份数计，由以下组分构成：赤泥50～55份、椰壳活性炭35～15份、膨润土10～15份、纳米氧化锌10～15份、聚二烯丙基二甲基氯化铵10～15份、煤粉8～10份、成型剂1～2份。

本发明所述的用于水体消毒的高效复合滤料，以赤泥、椰壳活性炭为主原料，膨润土、煤粉、成型剂作为辅料，纳米氧化锌、聚二烯丙基二甲基氯化铵为抗菌改性剂。

其中，赤泥是工业固体废弃物，其堆存处置对环境有着很大的风险，此外赤泥是一种有效的吸附剂，针对重金属离子等污染物具有有效的吸附作用，而椰壳活性炭对余氯、COD、三氯甲烷和四氯化碳的去除效果较好。此外采用赤泥可以实现“以废治废”，起到有效利用的作用。纳米氧化锌具有优异的抗菌性，而聚二烯丙基二甲基氯化铵正电荷密度高，可通过静电吸附作用吸附细菌，以纳米氧化锌和聚二烯丙基二甲基氯化铵为改性剂实现滤料颗粒表面的功能化，制备功能化材料。通过双负载，增加了滤料颗粒对微生物的吸附位点，抗菌效果好。

其中，膨润土的作用是粘结剂，提高了滤料的可塑性，在高温焙烧后膨润土能够发生缩聚反应，缩聚反应能够使颗粒结构更为致密，而同时使滤料也因此会有一定的机械强度。煤粉的作用是作为造孔剂，将其添加带颗粒中，当滤料颗粒经过焙烧后，能够燃尽放出气体，这样会使孔道留在颗粒中，滤料的气孔率和比表面积会得以提高。由于赤泥、椰壳活性炭的可塑性和粘结性较差，可以通过向其中添加适量的粘结剂，以提高可塑性和粘结性。

进一步的，上述的用于水体消毒的高效复合滤料，所述成型剂为聚乙烯醇；所述纳米氧化锌中纳米氧化锌粒子尺寸在20～30nm之间。

本发明还涉及所述用于水体消毒的高效复合滤料及其制备工艺，依次包括滤料的制备、一次改性滤料的制备、二次改性滤料的制备；所述赤泥质滤料的制备，包括以下步骤：

(1)配料：将赤泥、椰壳活性炭、膨润土、煤粉经200目筛网进行过筛，照配方所述比例进行混合，得到混合粉末；

(2)球墨：将上述混合粉末放置到球磨罐中进行球磨，球墨时间为两个小时，取出混合粉体；

(3)造粒：取配方所述比例的成型剂，配置成质量分数为5％的成型液；将上述球墨后的混合粉体在70℃下的条件下加入所述成型液，搅拌至泥状后，使用20目筛网搓制为球形滤料颗粒；

(4)焙烧：将上述球形赤泥颗粒置于马弗炉中，升温速率设置为2℃/min进行焙烧，焙烧结束后，冷却到室温，取出，得到滤料。

进一步的，上述的用于水体消毒的高效复合滤料的制备工艺，所述步骤(2)中的球磨转速为90r/m。

进一步的，上述的用于水体消毒的高效复合滤料的制备工艺，所述滤料的粒径在0.8～1.3mm。

进一步的，上述的用于水体消毒的高效复合滤料的制备工艺，所述一次改性滤料的制备，包括以下步骤：

(1)改性：将所述滤料置入所述纳米氧化锌的溶胶中，水浴加热3小时，冷却至室温后，取出使用去离子水冲洗；

(2)烘干、冷却：在60℃下放置24小时进行烘干，待其冷却至室温后，得到一次改性滤料。

进一步的，上述的用于水体消毒的高效复合滤料的制备工艺，所述水浴温度为80～85℃。

进一步的，上述的用于水体消毒的高效复合滤料的制备工艺，所述二次改性滤料的制备，包括以下步骤：

(1)配置改性液：取配方所述比例的聚二烯丙基二甲基氯化铵，配置成质量分数为20％的改性液；

(2)改性：将所述一次改性滤料放置于上述改性液中，于暗处放置，改性时间为10～12小时；

(3)冲洗、干燥：改性结束后，冷冻干燥，取出使用去离子水冲洗，干燥后，得到二次改性滤料。

为了增强一次改性滤料对微生物表面的粘附作用，进行双负载。在一次改性滤料的基础上，通过简单的负载方法，以聚二烯丙基二甲基氯化铵为改性剂，完成滤料的双负载，聚二烯丙基二甲基氯化铵是阳离子聚合物，高效且无毒，正电荷密度高，可通过静电吸附作用吸附细菌，以纳米氧化锌和聚二烯丙基二甲基氯化铵为改性剂实现赤泥颗粒表面的功能化，制备功能化材料。通过双负载，增加了滤料颗粒对微生物的吸附位点，对微生物的吸附抑制作用进一步加强。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明公开的用于水体消毒的高效复合滤料，配方合理，以赤泥、椰壳活性炭为主原料，膨润土、煤粉、成型剂作为辅料，纳米氧化锌、聚二烯丙基二甲基氯化铵为抗菌改性剂，通过双负载，增加了滤料颗粒对微生物的吸附位点，抑制了水中微生物生长，具有长效显著的抑菌性能，并且对余氯、COD、三氯甲烷和四氯化碳的去除效果较好，减少了消毒剂投量从而使消毒副产物对人类健康产生的风险有所降低，实现了对赤泥的有效利用和“以废治废”；

(2)本发明提出的用于水体消毒的高效复合滤料的制备工艺，制备工艺简单且具有很高的灵活性，成本低廉、产量大，应用前景广泛。

具体实施方式

下面将结合实施例和具体实验数据，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

以下实施例提供了一种用于水体消毒的高效复合滤料及其制备工艺，所述滤料，按质量份数计，由以下组分构成：赤泥50～55份、椰壳活性炭35～15份、膨润土10～15份、纳米氧化锌10～15份、聚二烯丙基二甲基氯化铵10～15份、煤粉8～10份、成型剂1～2份。

进一步的，所述成型剂为聚乙烯醇；所述纳米氧化锌中纳米氧化锌粒子尺寸在20～30nm之间。

实施例

所述用于水体消毒的高效复合滤料的制备工艺，依次包括滤料的制备、一次改性滤料的制备、二次改性滤料的制备。

所述滤料的制备，包括以下步骤：

(1)配料：将赤泥、椰壳活性炭、膨润土、煤粉经200目筛网进行过筛，照配方所述比例进行混合，得到混合粉末；

(2)球墨：将上述混合粉末放置到球磨罐中进行球磨，球墨时间为两个小时，球磨转速为90r/m，取出混合粉体；

(3)造粒：取配方所述比例的成型剂，配置成质量分数为5％的成型液；将上述球墨后的混合粉体在70℃下的条件下加入所述成型液，搅拌至泥状后，使用20目筛网搓制为球形滤料颗粒；

(4)焙烧：将上述球形赤泥颗粒置于马弗炉中，升温速率设置为2℃/min进行焙烧，焙烧结束后，冷却到室温，取出，得到滤料，滤料的粒径在0.8～1.3mm。

所述一次改性滤料的制备，包括以下步骤：

(1)改性：将所述滤料置入所述纳米氧化锌的溶胶中，水浴加热3小时，水浴温度为80～85℃，冷却至室温后，取出使用去离子水冲洗；

(2)烘干、冷却：在60℃下放置24小时进行烘干，待其冷却至室温后，得到一次改性滤料。

所述二次改性滤料的制备，包括以下步骤：

(1)配置改性液：取配方所述比例的聚二烯丙基二甲基氯化铵，配置成质量分数为20％的改性液；

(2)改性：将所述一次改性滤料放置于上述改性液中，于暗处放置，改性时间为10～12小时；

(3)冲洗、干燥：改性结束后，冷冻干燥，取出使用去离子水冲洗，干燥后，得到二次改性滤料。

效果验证：

对由上述实施例得到的用于水体消毒的高效复合滤料进行性能检测。

抑菌性能测试：通过根据消毒技术标准的平板计数法进行由实施例得到的用于水体消毒的高效复合滤料对大肠杆菌(ATCC25922)的抑菌测试。用于测试的细菌悬浮液每1mL含有大约107个菌落形成单位(CFU)。将琼脂培养基，液体培养基和磷酸盐缓冲液(PBS)在121℃下在立式高压蒸汽灭菌锅中预先灭菌20分钟。将实施例(0.01g)与含有细菌的PBS(1mL)混合，随后在37℃的条件下，在空气振荡器中温和振动孵育6小时，然后用PBS溶液进行梯度稀释。然后，提取0.1mL上述悬浮液，均匀地铺在琼脂平板上，并在37℃下培养24小时、48小时、72小时。将离散菌落的数目计数为剩余细菌的数目。

由实施例得到的用于水体消毒的高效复合滤料，前24h基本没有菌落长成，抑菌率接近100％，直至24h后有极少菌落在平板上生长。在72h内保持着良好的抑菌性能，本发明所述的纳用于水体消毒的高效复合滤料不仅显示了良好的抑菌性能，并且双负载，抑菌活性持续时间较长，其能够在持续的一段时间内对微生物的生长起到很好的抑制作用。

水质甲醛吸附测试：参照HJ 601-201l，配制初始浓度为lmg/L的含甲醛的样液，分别选取5个100mL的烧杯，分别加入含甲醛样液50mL以及2g待测由实施例得到的用于水体消毒的高效复合滤料的粉末，设定吸附时间分别为40min、80min、120min、140min以及160min。以此来测试滤芯在不同吸附时间下对甲醛的吸附效果，最终算出最大甲醛吸附量、甲醛去除率，最大甲醛吸附量为0.0253mg/g，甲醛去除率为82％。

微量元素测试：采用瓶点法取10个250mL的锥形瓶，分别加入0mg、20mg、40mg、60mg、80mg、100mg、200mg由实施例得到的用于水体消毒的高效复合滤料的粉末，分别加150mL原水，加塞，在25℃恒温摇床中震荡吸附1 h，将水经中速滤纸过滤。采用ICP—OES电感耦合等离子发生光谱仪对样品微量元素含量进行测定，主要包括常规微量元素As，Cd，Cr，Pb，Se，一般微量元素Fe，Mn，Cu，Zn，以及非常规微量元素Sb和Ba，实验结果参照表1。

表1样品性能测试结果

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 (8)

1.一种用于水体消毒的高效复合滤料，其特征在于，所述滤料，按质量份数计，由以下组分构成：赤泥50~55份、椰壳活性炭35~15份、膨润土10~15份、纳米氧化锌10~15份、聚二烯丙基二甲基氯化铵10~15份、煤粉8~10份、成型剂1~2份。

2.根据权利要求1所述的用于水体消毒的高效复合滤料，其特征在于，所述成型剂为聚乙烯醇；所述纳米氧化锌中纳米氧化锌粒子尺寸在20~30 nm之间。

3.根据权利要求1至2任一项所述用于水体消毒的高效复合滤料的制备工艺，其特征在于，依次包括滤料的制备、一次改性滤料的制备、二次改性滤料的制备；所述赤泥质滤料的制备，包括以下步骤：

（1）配料：将赤泥、椰壳活性炭、膨润土、煤粉经200目筛网进行过筛，照配方所述比例进行混合，得到混合粉末；

（2）球墨：将上述混合粉末放置到球磨罐中进行球磨，球墨时间为两个小时，取出混合粉体；

（3）造粒：取配方所述比例的成型剂，配置成质量分数为5%的成型液；将上述球墨后的混合粉体在70℃下的条件下加入所述成型液，搅拌至泥状后，使用20目筛网搓制为球形滤料颗粒；

（4）焙烧：将上述球形赤泥颗粒置于马弗炉中，升温速率设置为2℃/min进行焙烧，焙烧结束后，冷却到室温，取出，得到滤料。

4.根据权利要求3所述用于水体消毒的高效复合滤料的制备工艺，其特征在于，所述步骤（2）中的球磨转速为90 r/m。

5.根据权利要求3所述用于水体消毒的高效复合滤料的制备工艺，其特征在于，所述滤料的粒径在0.8～1.3mm。

6.根据权利要求3所述用于水体消毒的高效复合滤料的制备工艺，其特征在于，所述一次改性滤料的制备，包括以下步骤：

（1）改性：将所述滤料置入所述纳米氧化锌的溶胶中，水浴加热3小时，冷却至室温后，取出使用去离子水冲洗；

（2）烘干、冷却：在60℃下放置24小时进行烘干，待其冷却至室温后，得到一次改性滤料。

7.根据权利要求6所述用于水体消毒的高效复合滤料的制备工艺，其特征在于，所述水浴温度为80~85℃。

8.根据权利要求6所述用于水体消毒的高效复合滤料的制备工艺，其特征在于，所述二次改性滤料的制备，包括以下步骤：

（1）配置改性液：取配方所述比例的聚二烯丙基二甲基氯化铵，配置成质量分数为 20%的改性液；

（2）改性：将所述一次改性滤料放置于上述改性液中，于暗处放置，改性时间为10~12小时；

（3）冲洗、干燥：改性结束后，冷冻干燥，取出使用去离子水冲洗，干燥后，得到二次改性滤料。