CN113521883A - 一种含海藻酸纤维的过滤材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种含海藻酸纤维的过滤材料及其制备方法，海藻酸纤维至少包括海藻酸钠和海藻酸钙两种组分；过滤材料为非织造布结构，过滤材料为多层结构过滤材料，包括其他纤维层和海藻酸纤维层，海藻酸纤维层设置与其他纤维层交替设置；其他纤维层设置在过滤材料最外层；所述的非织造布通过水刺工艺制备得到，所述的海藻酸纤维的含量为10‑30％。本公开的过滤材料，充分利用海藻纤维的吸水膨胀，以及部分海藻酸纤维上的海藻酸钠的凝胶化能力，控制含海藻酸过滤材料的空隙结构，进而提高含海藻酸纤维过滤材料的过滤效果。
Description
技术领域
本公开属于环境过滤领域，涉及一种纤维过滤材料，具体涉及一种含海藻酸纤维的过滤材料及其制备方法。
背景技术
环境污染包括水、气、光和声等污染，其中水污染是最难治理的，也是最关切我们人们身体健康的，被污染的水源能够通过各种路径进入到土壤、食品等，进而严重的影响到人们的身体健康。
现有技术中对于污水的处理，包括使用物理方法、化学方法和生物方法，其中物理方法主要是通过过滤材料、如过滤膜等对污水进行处理，这些过滤材料主要是通过调节孔隙率、孔径大小等，进而将污水中的杂质去除，而去除效果主要由过滤材料的性能决定；化学方法主要是使用一些聚凝剂、沉降剂，通过化学絮凝、沉淀等，将污水中的杂质沉淀或絮凝，进而去除杂质；而生物方法，则是利用一些微生物发酵，将水中的杂质进过发酵转化，进而达到生物净化污水的效果。
在目前使用过滤材料对污染水的处理是较为有效的方法，过滤材料在家庭、工业等领域使用广泛，但是过滤材料的性能，直接影响到过滤效果，目前对于过滤材料的种类非常多，包括纤维类、生物膜类等。
现有技术中，天津工业大学的发明专利申请，公开号为CN112121644A，公开了一种草酸交联海藻酸盐水凝胶过滤膜的制备方法及在分子离子分离中的应用，具体的，首先配制海藻酸钠和高分子增强剂的混合物水溶液作为铸膜液，将铸膜液刮成膜后用草酸水溶液交联。草酸同时交联高分子增强剂上的羟基和海藻酸盐上的羟基，得到草酸交联海藻酸盐水凝胶过滤膜。该过滤膜具有良好的亲水性和抗污染性能，可耐受高浓度无机盐溶液。该过滤膜对于无机盐的截留率低，而对分子量大于650的体型分子具有较高的截留率，因此特别适合用于分子离子的分离，在染料、多肽、药物和蛋白质等分离纯化中有广泛应用前景。
现有技术中，东营俊富净化科技有限公司的发明专利申请，公开号为CN111270423A，发明名称为一种非织造布过滤材料制备方法，公开了制备方法包括制备增强母粒、熔融纺丝和生物胶处理；其中制备增强母粒，是将聚丙烯粉、纳米级硬质碳化钛、三异硬酯酸钛酸异丙酯、钠掺杂氧化锌和季戊四醇进行研磨，增强母粒原材料组成为：45-60份聚丙烯粉、5-8份纳米级硬质碳化钛、1-3份三异硬酯酸钛酸异丙酯、5-10份钠掺杂氧化锌和10-16份季戊四醇，采用该聚丙烯的增强母粒，与聚乙烯切片熔融纺丝，并将纤维进行生物胶处理。而其中，生物胶是由葡聚糖固体用无水乙醇溶解后，加入海藻酸钠和黄原胶反应制得。
从现有技术可以看出，目前对于过滤材料，已有将天然多糖海藻酸用于过滤材料中，但是主要是利用过滤材料的凝胶化，即将海藻酸钠与交联剂交联制备成过滤膜，或在过滤膜上涂覆海藻酸材料，上述制备方法主要是通过凝胶化的海藻酸盐来改善过滤材料的过滤效果。但是上述的方法也有其缺陷，例如对于过滤膜的制备，其虽然有能够凝胶化的海藻酸，由于是通过刮膜方式制备过滤膜，其空隙难以控制，并且过滤效率极低；而对于无纺布的过滤材料，其生物胶通过后续方法涂覆，其附着能力较差，并且制备方法复杂。
可见，现有技术中使用天然多糖海藻用于过滤材料，主要是一种胶装的材料进行涂覆、或者成膜，但是这种制备方法对于空隙情况的控制较难，并且制备工艺复杂。
发明内容
针对上述存在的问题，本公开的目的在于提供一种含海藻酸纤维的过滤材料及其制备方法，该过滤材料的过滤效果能够显著提高，并且制备工艺简单，并且过滤材料环保，部分材料能够降解。
本公开的构思在于制备含海藻酸纤维的过滤材料，该过滤材料是一种非织造布过滤材料，具有充足的空隙，能够兼顾过滤速率和过滤效果。
本公开的另一构思还在于，所述的含海藻酸纤维的过滤材料，该海藻酸在吸水后能够膨胀，进而对过滤空隙进行调节，达到优良的过滤效果。
本领开的另一构思还在于，所述的含海藻酸纤维的过滤材料为多层结构，所述的多层过滤材料能够从不同的程度对污水进行过滤，达到优良的过滤效果。
本发明的另一构思还在于，所述所述的多层过滤材料设置，能够保证海藻酸纤维发生溶胀时，过滤材料整体结构不发生变化，过滤材料寿命能够显著增加。
具体的，本发明公开了一种含海藻酸纤维的过滤材料，所述的含海藻纤维的过滤材料为非织造布结构，所述的海藻酸纤维包括了至少包括海藻酸钠和海藻酸钙两种组分，而海藻酸钠在溶液中呈负电荷，能够高效的吸附溶液中的重金属粒子；
所述的海藻酸纤维的含量为10-30％。
所述的非织造布通过水刺工艺制备得到。
在一些实施例中，所述的海藻酸纤维使用海藻酸钠制备得到；
所述的海藻酸钠的分子量为10-50w；
海藻酸纤维的制备是使用含钙离子的固化液进行固化成型，进而得到海藻酸纤维，其中海藻酸纤维中钙含量为40-60mg/g。
固化液中的固化剂为氯化钙，其中氯化钙的浓度为5-10％。
海藻酸纤维制备过程中，初生纤维在固化液的固化时间3-30s；
本公开中，通过控制海藻酸纤维制备过程中的固化时间，使得海藻酸纤维不成凝胶，且能保证一定的强度，在将该纤维制备成过滤材料时，能够保证材料的完整性，提高过滤材料的使用寿命。
本公开中，还使用氯化钙作为固化剂，本公开具体的选择氯化钙作为固化剂，该固化剂的固化效率高，能快速的将初生纤维表面进行固化，形成致密的海藻酸钙固化层，使得氯化钙难以进入到纤维内部，进而得到的海藻酸纤维包括了海藻酸钠和海藻酸钙。
本公开所制备的海藻酸纤维在水中中不会发生凝胶化，因此在作为过滤材料时，使用寿命会显著延长，同时海藻酸纤维的吸液性能优异，这种溶胀的性能能够保证过滤材料的空隙减小，能够将污水中更细的颗粒进行截留。
在一些实施例中，本公开的固化也中还包括了硫酸钠，所述的硫酸钠为0.1-0.5％。
硫酸钠的引入，能够对纤维表面进行刻蚀，使纤维表面粗糙，进而达到高效截留杂质的效果。
在一些实施例中，本公开使用上述海藻酸纤维进行纤维原料，通过开松、铺网工序，进行水刺得到含海藻酸纤维过滤材料。
在一些实施例中，采用高压含盐溶液射流对海藻纤维网进行加固，得到水刺非织造布。
本公开在高压射流溶液中，加入盐溶剂，盐溶剂中含有部分能够与海藻纤维反应的离子，如钠离子，能够与海藻纤维上的钙离子发生粒子置换，进而使得纤维表层具有一定遇水凝胶化的海藻酸钠，该过滤材料在过滤时，海藻酸钠的凝胶化能够有效的减小孔隙率，同时孔隙率小的情况下，纤维内部的空隙具有明显的毛细管效应，对杂质的过滤效应进一步的提高。
进一步的，含盐溶液中的盐为硫酸钠溶液，硫酸钠的浓度为0.1-0.5％。
硫酸钠的作用是使在射流过程中，将海藻酸纤维表面进行雕饰，是纤维表面的海藻酸钙转变成海藻酸钠，海藻纤维表面的少量海藻酸钠在过滤过程中，能够部分凝胶，进而提高过滤效果。
更进一步的，含盐溶液中的盐为氯化钙溶液，氯化钙的浓度为5-10％。
氯化钙是一种易溶于水的盐，因此在高压射流溶液中含有钙离子和钠离子，这两种离子的作用，能够对海藻纤维进行刻蚀，达到需要的纤维性能。
在一些实施例中，本公开的含海藻纤维过滤材料还包括其他纤维。
所述其他纤维聚丙烯纤维、涤纶纤维、醋酸纤维、硝酸纤维中的一种或多种。
在一些实施例中，本公开的含海藻纤维过滤材料为多层过滤材料；
在一些实施例中，本公开的含海藻纤维过滤材料中，包括其他纤维层和海藻酸纤维层；
在一些实施例中，本公开的含海藻纤维过滤材料的海藻酸纤维层设置在其他纤维层交替设置；
在一些实施例中，本公开的含海藻纤维过滤材料的其他纤维层设置在过滤材料最外层。
优选的，在一些实施例中，本公开的含海藻纤维过滤材料为三层结构，其中海藻纤维层位于过滤材料之间。
更进一步的，所述的其他纤维层可以为同种材料纤维层、或不同材料纤维层、或混线纤维材料纤维层。
在一些实施例中，本公开还公开了另一种含海藻纤维过滤材料的制备方法；
所述方法包括如下步骤：
1)将海藻酸钙纤维与其他纤维分别混合是梳理，形成纤维网；
2)将步骤1)得到的纤维网交替铺叠，形成含海藻纤维过滤材料纤维网；
本公开在进行水刺前，将其他纤维网层与海藻纤维网层进行交替铺叠，在水刺工艺时，能够形成多层的无纺布结构，同时在水刺过程中，其他纤维与海藻纤维相互交错，能够有效的固着海藻纤维。在过滤过程中，海藻纤维的液体吸附能力优异，纤维发生溶胀，能够有效的控制无纺布过滤材料的空隙，提高过滤效果。
另外，其他纤维对海藻纤维进行固着，有效的防止了海藻纤维因吸液溶胀而造成过滤材料形态变化，从而具有较好的过滤寿命。
3)高压射流对过滤材料纤维网进行穿刺加固，制成含海藻酸纤维的过滤材料。
在一些实施例中，所述的射流液体为含盐液体；
进一步的，所述的盐为硫酸钠和氯化钙；
进一步的，所述氯化钙的浓度为5-10％；所述硫酸钠浓度0.1-0.5％。
在高压射流水刺溶液中，钠盐和钙盐的竞合过程中，保证钙的浓度明显大于钠盐，在此种条件下，用于达到对海藻酸纤维表面的刻蚀效果，同时保证海藻酸纤维不发生断裂，进而使片状过滤材料有较好的机械性能，方便后续的加工。
另外，海藻纤维表层的海藻酸钙会部分转换为海藻酸钠，而海藻酸钠吸水后会发生凝胶化，在过滤材料内形成一定的流动性，对过滤材料中的结构进行的调整，进而提高过滤材料的过滤效果。
在一些实施例中，所述含海藻酸纤维过滤材料中，海藻酸纤维的含量为10-30％；
优选的，含海藻酸纤维过滤材料中，海藻酸纤维的含量为15-20％。
在一些实施例中，本公开采用交叉铺网的工艺，将海藻酸钙纤维与其它纤维均匀分布，制成具有互穿网络结构的纤维网，多种纤维间的缠结和相互作用更强。
这种结构设计有两方面的优势：纤维网进行射流穿刺加固时，可以防止海藻酸钙纤维转变成海藻酸钠纤维后从纤维网中流失。
进一步的，本公开所制备的含海藻纤维过滤材料，材料中含有海藻酸钠材料，而海藻酸钠材料在溶液中呈电荷性能，因此，其能够高效的吸附溶液中的带有正电荷的粒子，尤其是对重金属进行吸附。
在一些实施例中，所述的含海藻酸纤维的过滤材料的克重为30-80g/m2。
在一些实施例中，本公开还公开了一种使用上述方法制备得到含海藻纤维过滤材料所制备成的滤芯。
在一些实施例中，本公开还公开了一种使用上述方法制备得到的滤芯的应用。
本公开相对于现有技术而言，至少包括如下有益效果：本公开的含海藻酸纤维的过滤材料，充分利用海藻纤维的吸水膨胀，以及部分海藻酸纤维上的海藻酸钠的凝胶化能力，控制含海藻酸过滤材料的空隙结构，进而提高含海藻酸纤维过滤材料的过滤效果。另外，本公开所制备的含海藻酸过滤材料，其中包括了海藻酸钠，海藻酸钠在过滤的时候，能够高效的带有正电荷的粒子，尤其是重金属粒子，另外由于海藻酸具有一定的正电荷粒子，也具有相应的杀菌性能。本公开制备的含海藻酸的过滤材料，材料中含有较高比例的海藻酸纤维，海藻酸纤维是一种生物质材料，具有可降解性，相对于现有过滤膜，具有较好的环保特性。对于本公开的制备方法，本公开的含海藻纤维的过滤材料是一种多层结构，并且制备工艺简单。
附图说明
图1为实施例1制备得到的海藻酸纤维表观图；
图2为实施例2制备得到的海藻酸纤维表观图；
图3为本公开使用的聚丙烯纤维表观图；
图4为实施例9得到过滤材料中海藻酸纤维的表观图；
图5为实施例9得到的过滤材料I的微观图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本公开的一种弹性多功能海藻酸复合纤维及其制备方法作进一步详细描述：。
实施例1
一种海藻酸纤维的制备方法，
具体的，包括如下步骤：1)将海藻酸钠溶解于水中，得到海藻酸钠溶液；
海藻酸钠的浓度为4％，搅拌3h，得到海藻酸钠溶液，溶解液为水；
所述的海藻酸钠的分子量为10-50w；
步骤2)将海藻酸钠至于中空干燥器中，进行真空脱泡，得到纺丝原液；
将所述的纺丝原液投放到纺丝罐中，进行湿法纺丝；
纺丝的固化液为7％的氯化钙溶液；牵伸比为1:4；
所得到的海藻酸纤维进行干燥，得到海藻酸纤维；
其中海藻酸纤维中钙含量为40-60mg/g。
实施例2
一种海藻酸纤维的制备方法，所述的制备操作与实施例1相同，不同点在于固化过程中使用的是7％的氯化钙和0.5％硫酸钠溶液。
实施例3
一种海藻纤维网的制备工艺；
将实施例1和实施例2的海藻纤维分别进行梳理，铺网，形成纤维网，分别为实施例1纤维得到的纤维网和实施例2海藻纤维得到的纤维网。
实施例4
一种含海藻纤维的纤维网制备工艺：
将实施例1得到的海藻酸纤维与聚丙烯纤维进行共混，开松，梳理，铺网，形成含海藻酸纤维的纤维网，其中海藻酸的含量为15％。
将实施例2得到的海藻纤维与丙烯纤维进行共混，开松，梳理，铺网，形成含海藻酸纤维的纤维网，其中海藻酸的含量为15％。
实施例5
其他纤维的纤维网制备工艺：将聚丙烯纤维梳理，铺网，形成纤维网。
其他纤维为聚丙烯纤维。
实施例6
将实施例3-5中的纤维网，铺网，水刺，制成无纺布过滤材料，其中过滤材料的克重为50g/m2。
其中各无纺布过滤材料标记如下：
实施例7
将实施例3中的纤维网与实施例5中的纤维网交替叠层，其中实施例5中的聚丙烯纤维网层在最终过滤材料的外层，水刺，得到过滤材料，过滤材料的克重为50g/m2。
其中各无纺布过滤材料标记如下：
实施例8
将上述的过滤材料对染料进行吸附过滤，使用百分之4的分散染料，搅拌均匀，之后通过自沉方式过滤，测试染液中染料的变化，测试过滤吸附效率。
测试结果如下：
实施例9
按照实施例7的铺网方式，将进行高压水刺时，水刺液中过包括了氯化钙的浓度为5％；所述硫酸钠浓度0.5％。制成无纺布过滤材料，克重为50g/m2。
其中，按照实施例7提供的铺网方式制备出的无纺布过滤材料标记如下。
按照实施例8所提供的方法，检测无纺布过滤材料的过滤效果。
| 过滤材料 | H | I |
| 过滤率(％) | 95.7 | 98.7 |
测试结果分析：从实施例8和实施例9的测试结果可以看出，本公开使用海藻酸纤维作为过滤材料，其过滤效果与聚丙烯的过滤效果较为类似，可以看出，海藻酸纤维与聚丙烯纤维通过水刺得到的过滤材料，其过滤效果类似，说明海藻酸纤维与聚丙烯纤维都是通过物理吸附方式，将分散染料固着在过滤材料的空隙中；对于式样A和式样B，式样B的海藻纤维在制备过程中海藻酸钠固化液中加入了钠离子，因此得到的海藻纤维固化程度不如式样A中的海藻酸纤维，因此，式样A和式样B的无纺布过滤材料过滤时，在液体通过过滤材料，式样B中海藻纤维固化程度不如式样A，因此，海藻酸钠容易发生小幅度的溶胀，使得过滤材料的空隙减小，达到更好的过滤效果，可见式样B的过滤效果要由于式样A；而对于实施例4是将海藻酸纤维与其他纤维共混，进而降低成本，从实施例4所对应的式样C和式样D可以看出，其过滤效果与海藻酸纤维的过滤效果类似，而影响过滤效果的还是海藻酸纤维的固化程度；对于实施例7，本公开采用叠层设计，可以看出当海藻酸控制在15％的的情况下，过滤效果是高于之间混合的，主要原因在于海藻酸纤维的膨胀可以形成完整的过滤屏障，进而达到优异的过滤效果。而对于式样H和式样I，其制备方法中，进一步的对海藻酸进行处理，使海藻酸纤维的表明更加粗糙，从测试结果也能看出该式样的过滤效果优于其他式样。
进一步的，本公开还对具体的纤维进行了观察，图1是实施例1中海藻酸纤维的表观图；图2是固化过程中加入了钠离子的海藻纤维表观图，即实施例2，可见固化液的变化会影响到纤维表观性能，表观越粗糙，也有利于对固体物的过滤；图3是聚丙烯纤维的表观，可见其为有机纤维，表观较为光滑；图4是含盐水刺后海藻纤维的表观图，即实施例9中的海藻酸纤维，可见其海藻纤维表观进一步的刻蚀；图5是实施例9的微观示意图，可见其无纺布中包括多种表观结构的纤维，一种是光滑的聚丙烯纤维，另一种是表观粗糙的海藻纤维。
以上对本公开进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本公开的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开原理的前提下，还可以对本公开进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本公开权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种含海藻酸纤维的过滤材料，其特征在于：
所述的过滤材料为非织造布结构；
所述的海藻酸纤维至少包括海藻酸钠和海藻酸钙两种组分；
所述的非织造布通过水刺工艺制备得到；
所述的海藻酸纤维的含量为10-30％；
所述的过滤材料的克重为30-80g/m2。
2.如权利要求1所述的一种含海藻酸纤维的过滤材料，其特征在于：
所述的海藻酸纤维使用海藻酸钠制备得到；
所述的海藻酸钠的分子量为10-50w；
海藻酸纤维的制备是使用含钙离子的固化液进行固化成型；
海藻酸纤维，其中海藻酸纤维中钙含量为40-60mg/g；
固化液中的固化剂为氯化钙，其中氯化钙的浓度为5-10％；
海藻酸纤维制备过程中，初生纤维在固化液的固化时间3-30s。
3.如权利要求2所述的一种含海藻酸纤维的过滤材料，其特征在于：
所述的固化液中还包括硫酸钙，所述硫酸钙的浓度为0.1-0.5％。
4.如权利要求2所述的一种含海藻酸纤维的过滤材料，其特征在于：
含海藻纤维过滤材料还包括其他纤维；
所述其他纤维聚丙烯纤维、涤纶纤维、醋酸纤维、硝酸纤维中的一种或多种。
5.如权利要求4所述的一种含海藻酸纤维的过滤材料，其特征在于：
含海藻纤维过滤材料为多层结构过滤材料；
含海藻纤维过滤材料中，包括其他纤维层和海藻酸纤维层；
含海藻纤维过滤材料的海藻酸纤维层设置在其他纤维层交替设置；
含海藻纤维过滤材料的其他纤维层设置在过滤材料最外层。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种含海藻酸纤维的过滤材料的制备方法，其特征在于：
将海藻酸纤维通过开松、铺网工序，进行水刺得到含海藻酸纤维过滤材料。
7.如权利要求6所述的一种含海藻酸纤维的过滤材料的制备方法，其特征在于：
采用高压含盐溶液射流对海藻纤维网进行加固，得到水刺非织造布；
含盐溶液中的盐为硫酸钠溶液，硫酸钠的浓度为0.1-0.5％。
8.如权利要求6所述的一种含海藻酸纤维的过滤材料的制备方法，其特征在于：
含盐溶液中的盐还包括氯化钙溶液，氯化钙的浓度为5-10％。
9.如权利要求6所述的一种含海藻酸纤维的过滤材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
1)将海藻酸钙纤维与其他纤维分别混合是梳理，形成纤维网；
2)将步骤1)得到的纤维网交替铺叠，形成含海藻纤维过滤材料纤维网；
3)高压射流对过滤材料纤维网进行穿刺加固，制成含海藻酸纤维的过滤材料；
所述的射流液体为含盐液体；
所述的盐为硫酸钠和氯化钙；
所述氯化钙的浓度为5-10％；所述硫酸钠浓度0.1-0.5％。
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