CN113198222A - 一种复合材料及其制备方法和复合滤芯 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水处理技术领域，具体而言，涉及一种复合材料及其制备方法和复合滤芯。本发明的复合材料的制备方法，包括以下步骤：活性炭纤维、抑菌剂和粘结剂的混合物进行湿法成型，再干燥；所述抑菌剂包括壳聚糖抑菌液、氨基酸抑菌液和季铵盐抑菌液中的至少一种。本发明的复合材料的制备方法，工艺简单，易于操作，经济性强，得到的复合材料在保证过滤效果的同时，具有良好抗菌性能，能持久、有效地抑制微生物的繁殖。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，具体而言，涉及一种复合材料及其制备方法和复合滤芯。
背景技术
目前，影响全球健康的一个主要威胁就是饮用水水源的微生物污染。水传播致病微生物主要包括细菌(大肠杆菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌等)、原生动物(蓝氏贾第虫)、真菌(念珠菌)和病毒(乙型肝炎病毒)等，这些细菌病毒的存在给人类健康构成极大威胁。因此，获取安全、无毒的饮用水是目前迫切需要解决的问题。传统的水消毒措施主要是化学处理方式，利用氯化物、过氧化氢和臭氧等氧化剂来完成水的消毒灭菌。然而，在连续的生产过程中，这种消毒措施往往会造成配水系统中化学物质残留，以及耐多种抗菌剂的微生物出现。为有效解决安全洁净的饮用水危机，急需可替换的新的净水方法。
有机抗菌材料因其种类丰富、运用范围广、抗菌效果明显，同时使用技术较为成熟等优点而受到了人们的广泛关注，但有机抗菌材料部分毒性强，耐药性差、易分解易挥发导致不够安全，另一方面，细菌易产生耐药性，抗菌效果随时间推移而逐步减弱甚至完全消失。近年来，无机抗菌材料如氧化锌、氧化钛等以耐高温，不产生耐药性等优势迅速占据了市场的一席之地，但是无机抗菌剂部分产品工艺复杂，成本高，而且有些抗菌剂存在稳定性差，抗菌时效短等劣势制约了其发展。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种复合材料的制备方法，工艺简单，易于操作，经济性强，得到的复合材料具有良好抗菌性能，能持久、有效地抑制微生物的繁殖，避免炭膜发臭、堵塞等问题产生。
本发明的另一个目的在于提供一种所述的复合材料的制备方法得到的复合材料，有效的避免了有机抗菌剂耐药性差，无机抗菌剂重金属离子易溶出等问题，尤其是对水中大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌性达到99％，在龙头净化领域具有潜在的应用价值。
本发明的另一个目的在于提供一种复合滤芯，在实现物理过滤的同时，能够起到优异的杀菌、抑菌效果，全面净化水质。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种复合材料的制备方法，包括以下步骤：
活性炭纤维、抑菌剂和粘结剂的混合物进行湿法成型，再干燥；
所述抑菌剂包括壳聚糖抑菌液、氨基酸抑菌液和季铵盐抑菌液中的至少一种。
优选地，所述活性炭纤维包括粘胶基活性碳纤维、沥青基活性碳纤维、聚丙烯腈基活性碳纤维和酚醛基活性炭纤维中的至少一种。
优选地，所述活性炭纤维进行预处理；
优选地，所述预处理包括：将所述活性炭纤维和水的混合物于加热条件下进行搅拌洗涤，再进行干燥；
优选地，所述加热的温度为95～105℃，搅拌的速度为950～1100r/min，搅拌的时间为5.5～6.5h；
优选地，所述活性炭纤维进行预处理的干燥温度为75～85℃，时间为22～25h。
优选地，所述壳聚糖抑菌液主要由壳聚糖、酸性溶剂和交联剂制备得到；
优选地，所述酸性溶剂包括醋酸；
优选地，所述交联剂包括柠檬酸；
优选地，所述壳聚糖和所述交联剂的质量比为(2～3):1。
优选地，所述氨基酸抑菌液包括甘氨酸抑菌剂、色氨酸抑菌剂和半胱氨酸抑菌剂中的至少一种；
优选地，所述活性炭纤维、所述甘氨酸抑菌剂和所述粘结剂的质量比为(10～16):(5～7):(1.5～2.5)；
优选地，所述季铵盐抑菌液包括苯扎氯铵季铵盐抑菌剂和/或十二烷基二甲基苄基氯化铵季铵盐抑菌剂；
优选地，所述活性炭纤维、所述季铵盐抑菌液和所述粘结剂的质量比为(10～16):(5～7):(1.5～2.5)。
优选地，所述粘结剂选自环氧沥青粘结剂、煤沥青粘结剂、腐值酸钠粘结剂和淀粉粘结剂中的至少一种。
优选地，所述活性炭纤维、所述壳聚糖和所述粘结剂的质量比为(10～16):(5～7):(1.5～2.5)。
优选地，所述湿法成型包括：在转速为2800～3100r/min的条件下进行负压抽吸成型。
如上所述的复合材料的制备方法得到的复合材料。
一种复合滤芯，包括如上所述的复合材料，所述复合材料包覆于无纺布内。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的复合材料的制备方法工艺简单，易于操作，经济性强，得到的复合材料具有良好抗菌性能，能持久、有效地抑制微生物的繁殖，避免炭膜发臭、堵塞等问题产生。
(2)本发明的复合材料的制备方法得到的复合材料，有效的避免了有机抗菌剂耐药性差，无机抗菌剂重金属离子易溶出等问题，尤其是对水中大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌性达到99％，在龙头净化领域具有潜在的应用价值。
(3)本发明的复合滤芯，在实现物理过滤的同时，能够起到优异的杀菌、抑菌效果，全面净化水质。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
根据本发明的一个方面，本发明涉及一种复合材料的制备方法，包括以下步骤：
活性炭纤维、抑菌剂和粘结剂的混合物进行湿法成型，再干燥；
所述抑菌剂包括壳聚糖抑菌液、氨基酸抑菌液和季铵盐抑菌液中的至少一种。
目前活性炭，碳纤维，多孔分子筛等材料因其发达的孔结构，大的比表面积，经济适用性强等优势而被广泛用于净水龙头中对水体进行净化。但是碳材料本身对细菌病毒等的杀菌能力较弱，从而使得水中残留的细菌超标，对人体造成危害。为解决这一问题，提高炭材料的杀菌能力迫在眉睫。
天然抗菌材料如萜类化合物及其衍生物、生物碱类、木脂素、氨基酸等由于其生物相容性好，对环境的污染程度较轻，毒害性小等诸多优点引起了人们越来越多的关注。其中，季铵盐作为一类广谱杀菌剂，已经被广泛应用于水处理等行业中进行杀菌消毒。季铵盐杀菌剂的作用机理主要是接触杀菌，即杀菌剂作为阳离子单体通过静电力、氢键力以及表面活性剂分子与蛋白质分子间的相互作用，吸附带负电的细菌体，聚集在细胞壁上，产生位阻效应，导致细菌生长受抑而死亡。因此，季铵盐杀菌剂具有高效、低毒、不易受pH值变化的影响、使用方便、化学性能稳定等特点。
本发明的壳聚糖抑菌液具有优异的抑菌活性及吸附性能。
本发明的方法高效、环保，得到的复合材料在实现物理过滤的同时，能起到优异的抑菌效果。
优选地，所述活性炭纤维包括粘胶基活性碳纤维、沥青基活性碳纤维、聚丙烯腈基活性碳纤维和酚醛基活性炭纤维中的至少一种。
优选地，所述活性炭纤维进行预处理。
优选地，所述预处理包括：将所述活性炭纤维和水的混合物于加热条件下进行搅拌洗涤，再进行干燥。
优选地，所述加热的温度为95～105℃，搅拌的速度为950～1100r/min，搅拌的时间为5.5～6.5h。
在一种实施方式中，所述加热的温度为95～105℃，还可以选择95℃、96℃、97℃、98℃、99℃、100℃、101℃、102℃、103℃、104℃或105℃。
在一种实施方式中，所述搅拌的速度为950～1100r/min，还可以选择950r/min、960r/min、970r/min、980r/min、990r/min、1000r/min、1010r/min、1020r/min、1030r/min、1040r/min、1050r/min、1060r/min、1070r/min、1080r/min、1090r/min或1100r/min。
在一种实施方式中，所述搅拌的时间为5.5～6.5h，还可以选择5.5h、5.6h、5.7h、5.8h、5.9h、6.0h、6.1h、6.2h、6.3h、6.4h或6.5h。
优选地，所述活性炭纤维进行预处理的干燥温度为75～85℃，时间为22～25h。
在一种实施方式中，所述活性炭纤维进行预处理的干燥温度为75～85℃，还可以选择75℃、76℃、77℃、78℃、79℃、80℃、81℃、82℃、83℃、84℃或85℃。
在一种实施方式中，所述所述活性炭纤维进行预处理的干燥时间为22～25h，还可以选择22h、23h、24h或25h。
优选地，所述壳聚糖抑菌液主要由壳聚糖、酸性溶剂和交联剂制备得到。
优选地，所述酸性溶剂包括醋酸。
优选地，所述交联剂包括柠檬酸。
优选地，所述壳聚糖和所述交联剂的质量比为(2～3):1。
在一种实施方式中，所述壳聚糖抑菌液的制备方法包括：将壳聚糖溶解在2％的醋酸中，配制成10g/L的壳聚糖抑菌水溶液，再加入柠檬酸进行交联反应。柠檬酸的浓度为2％～7％。
优选地，所述氨基酸抑菌液包括甘氨酸抑菌剂、色氨酸抑菌剂和半胱氨酸抑菌剂中的至少一种。
优选地，所述活性炭纤维、所述甘氨酸抑菌剂和所述粘结剂的质量比为(10～16):(5～7):(1.5～2.5)。
优选地，所述季铵盐抑菌液包括苯扎氯铵季铵盐抑菌剂和/或十二烷基二甲基苄基氯化铵季铵盐抑菌剂。
优选地，所述活性炭纤维、所述季铵盐抑菌液和所述粘结剂的质量比为(10～16):(5～7):(1.5～2.5)。
优选地，所述粘结剂选自环氧沥青粘结剂、煤沥青粘结剂、腐值酸钠粘结剂和淀粉粘结剂中的至少一种。
优选地，所述活性炭纤维、所述壳聚糖和所述粘结剂的质量比为(10～16):(5～7):(1.5～2.5)。
优选地，所述活性炭纤维、所述壳聚糖和所述粘结剂的质量比为15:6:2。
优选地，所述湿法成型包括：在转速为2800～3100r/min的条件下进行负压抽吸成型。
在一种实施方式中，转速为2800～3100r/min，还可以选择2800r/min、2900r/min、3000r/min或3100r/min。
根据本发明的另一个方面，本发明还涉及所述的复合材料的制备方法得到的复合材料。
本发明得到的复合材料具有优异的过滤效果和抑菌效果。
根据本发明的另一个方面，本发明还涉及一种复合滤芯，包括如上所述的复合材料，所述复合材料包覆于无纺布内。
本发明的复合滤芯可大大减少水质中的大肠杆菌、金黄色葡萄链球菌的浓度，抗菌性能达到99％。
下面将结合具体的实施例对本发明作进一步的解释说明。
实施例1
一种复合滤芯的制备方法，包括以下步骤：
(a)取5g壳聚糖溶解在2％醋酸溶液中，配制成10g/L的壳聚糖抑菌水溶液，加入1.5g柠檬酸作为交联剂进行交联反应，所得溶液静置，得到壳聚糖抑菌液；
(b)取15g打碎后的粘胶基活性炭纤维放置去离子水溶液中进行煮沸洗涤，加热温度设置为100℃，搅拌速度设置为1000r/min，搅拌6h后取出，过滤，放置真空干燥箱内进行干燥，温度设置为80℃，干燥24h；
(c)取步骤(b)中干燥好的活性碳纤维、步骤(a)的壳聚糖抑菌液和淀粉粘结剂混合，所述活性炭纤维、所述壳聚糖和所述粘结剂的质量比为15:5:1.5，通过湿法成型工艺在转速3000r/min条件下负压抽吸成型，然后在真空干燥箱内烘干，将最外层包覆无纺布，得到壳聚糖改性碳纤维复合炭膜滤芯。
实施例2
一种复合滤芯的制备方法，包括以下步骤：
(a)取7g壳聚糖溶解在2％醋酸溶液中，配制成20g/L的壳聚糖抑菌水溶液，加入2g柠檬酸作为交联剂进行交联反应，所得溶液静置，得到壳聚糖抑菌液；
(b)取16g打碎后的沥青基活性炭纤维放置去离子水溶液中进行煮沸洗涤，加热温度设置为100℃，搅拌速度设置为1500r/min，搅拌12h后取出，过滤，放置真空干燥箱内进行干燥，温度设置为60℃，干燥36h；
(c)取步骤(b)中干燥好的沥青基活性碳纤维、步骤(a)的壳聚糖抑菌液和腐值酸钠粘结剂混合，所述活性炭纤维、所述壳聚糖和所述粘结剂的质量比为16:7:2，通过湿法成型工艺在转速3000r/min条件下负压抽吸成型，然后在真空干燥箱内烘干，将最外层包覆无纺布，得到壳聚糖改性碳纤维复合炭膜滤芯。
实施例3
一种复合滤芯的制备方法，包括以下步骤：
(a)取6.0g壳聚糖溶解在2％醋酸溶液中，配制成20g/L的壳聚糖抑菌水溶液，加入2.5g柠檬酸作为交联剂进行交联反应，所得溶液静置，得到壳聚糖抑菌液；
(b)取13g打碎后的聚丙烯腈基活性碳纤维放置去离子水溶液中进行煮沸洗涤，加热温度设置为100℃，搅拌速度设置为1500r/min，搅拌12h后取出，过滤，放置真空干燥箱内进行干燥，温度设置为60℃，干燥36h；
(c)取步骤(b)中干燥好的沥青基活性碳纤维、步骤(a)的壳聚糖抑菌液和煤沥青粘结剂混合，所述活性炭纤维、所述壳聚糖和所述粘结剂的质量比为13:6:2.5，通过湿法成型工艺在转速3000r/min条件下负压抽吸成型，然后在真空干燥箱内烘干，将最外层包覆无纺布，得到壳聚糖改性碳纤维复合炭膜滤芯。
实施例4
一种复合滤芯的制备方法，包括以下步骤：
(a)取7g壳聚糖溶解在2％醋酸溶液中，配制成20g/L的壳聚糖抑菌水溶液，加入1.5g柠檬酸作为交联剂进行交联反应，所得溶液静置，得到壳聚糖抑菌液；
(b)取10g打碎后的酚醛基活性炭纤维放置去离子水溶液中进行煮沸洗涤，加热温度设置为100℃，搅拌速度设置为1500r/min，搅拌12h后取出，过滤，放置真空干燥箱内进行干燥，温度设置为60℃，干燥36h；
(c)取步骤(b)中干燥好的沥青基活性碳纤维、步骤(a)的壳聚糖抑菌液和环氧沥青粘结剂混合，所述活性炭纤维、所述壳聚糖和所述粘结剂的质量比为10:7:1.5，通过湿法成型工艺在转速3000r/min条件下负压抽吸成型，然后在真空干燥箱内烘干，将最外层包覆无纺布，得到壳聚糖改性碳纤维复合炭膜滤芯。
实验例
将实施例2制备好的复合滤芯和普通碳纤维滤芯分别装填入玻璃中心管中，一端连接进水口，进水口配制大肠杆菌菌液浓度为104mcu/ml，一端连接出水口，在0.2MPa下，控制滤芯水通量为4L/min，分别记录过水10min，30min，60min，120min时产水的大肠杆菌菌落数，并计数。结果如表1所示。
表1复合滤芯的抑菌效果
由表1可知，本发明的复合滤芯具有优异的抗菌性能，能持久、有效地抑制大肠杆菌的繁殖。而普通碳纤维滤芯的抑菌性能较差。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
活性炭纤维、抑菌剂和粘结剂的混合物进行湿法成型，再干燥；
所述抑菌剂包括壳聚糖抑菌液、氨基酸抑菌液和季铵盐抑菌液中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的复合材料的制备方法，其特征在于，所述活性炭纤维包括粘胶基活性碳纤维、沥青基活性碳纤维、聚丙烯腈基活性碳纤维和酚醛基活性炭纤维中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的复合材料的制备方法，其特征在于，所述活性炭纤维进行预处理；
优选地，所述预处理包括：将所述活性炭纤维和水的混合物于加热条件下进行搅拌洗涤，再进行干燥；
优选地，所述加热的温度为95～105℃，搅拌的速度为950～1100r/min，搅拌的时间为5.5～6.5h；
优选地，所述活性炭纤维进行预处理的干燥温度为75～85℃，时间为22～25h。
4.根据权利要求1所述的复合材料的制备方法，其特征在于，所述壳聚糖抑菌液主要由壳聚糖、酸性溶剂和交联剂制备得到；
优选地，所述酸性溶剂包括醋酸；
优选地，所述交联剂包括柠檬酸；
优选地，所述壳聚糖和所述交联剂的质量比为(2～3):1。
5.根据权利要求1所述的复合材料的制备方法，其特征在于，所述氨基酸抑菌液包括甘氨酸抑菌剂、色氨酸抑菌剂和半胱氨酸抑菌剂中的至少一种；
优选地，所述活性炭纤维、所述甘氨酸抑菌剂和所述粘结剂的质量比为(10～16):(5～7):(1.5～2.5)；
优选地，所述季铵盐抑菌液包括苯扎氯铵季铵盐抑菌剂和/或十二烷基二甲基苄基氯化铵季铵盐抑菌剂；
优选地，所述活性炭纤维、所述季铵盐抑菌液和所述粘结剂的质量比为(10～16):(5～7):(1.5～2.5)。
6.根据权利要求1所述的复合材料的制备方法，其特征在于，所述粘结剂选自环氧沥青粘结剂、煤沥青粘结剂、腐值酸钠粘结剂和淀粉粘结剂中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的复合材料的制备方法，其特征在于，所述活性炭纤维、所述壳聚糖和所述粘结剂的质量比为(10～16):(5～7):(1.5～2.5)。
8.根据权利要求1所述的复合材料的制备方法，其特征在于，所述湿法成型包括：在转速为2800～3100r/min的条件下进行负压抽吸成型。
9.权利要求1～8中任一项所述的复合材料的制备方法得到的复合材料。
10.一种复合滤芯，其特征在于，包括权利要求9所述的复合材料，所述复合材料包覆于无纺布内。
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