CN113648703A - 用于去除水中重金属的组装式过滤芯及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于去除水中重金属的组装式过滤芯及其使用方法。该过滤芯包括支架与若干软磁材料构成的过滤片，过滤片组装在支架上形成两端开口的空心立体结构；每个过滤片设置若干穿孔；每个过滤片位于空心立体结构的侧壁；水流通过所述穿孔进入或者流出所述空心立体结构内腔。与现有的一体式过滤芯相比，本发明的过滤性结构牢固、抗冲击力强，当某个或者某几个过滤片发生损坏等情况需要更换时，只需从支架上取出该过滤片替换即可，可降低成本，使用方便灵活。

Description

用于去除水中重金属的组装式过滤芯及其使用方法

技术领域

本发明属于磁性材料技术领域与污水重金属处理技术领域，具体涉及一种用于去除水中重金属的组装式过滤芯及其使用方法。

背景技术

随着工业化进程的不断加快，重金属污染越来越受到人们的重视。重金属离子在自然条件下难于降解，不仅会对水源、土壤等环境造成污染，而且通过食物链的富集作用还会最终进入人体，对人体健康造成危害，因此对含有重金属离子的污水进行处理显得尤为重要。

目前已研发许多处理重金属污水的方法,典型的方法有化学沉淀法、反渗透法、溶剂萃取、过滤、吸附、电化学法、离子交换法等。在这些方法中,过滤与吸附相结合是最经济有效而又操作简便的方法，称为过滤吸附法。

过滤吸附法中往往使用过滤装置，其中设置过滤芯，污水通过过滤芯进行过滤与吸附。然而，现有的过滤芯存在以下问题：

(1)过滤芯呈一体结构，当局部发生损伤时产生的裂纹、内应力等易发生扩散而影响其他未受到损伤部位；或者，即使裂纹、内应力等未扩散，当当发生损坏的部位需要更换时，由于是一体式结构，仍然必须将过滤芯从过滤装置中取出进行整体更换，因此成本高并且操作复杂；

(2)过滤芯一般由具有过滤吸附性的材料构成，抗冲击性能有限，污水通过时对过滤芯造成一定冲击力，易损坏过滤芯，降低其使用寿命，尤其是当污水通过量大时更加缩短了过滤芯的使用寿命。

发明内容

针对上述技术现状，本发明提供一种用于去除水中重金属的组装式过滤芯，具有结构牢固、抗冲击力强，可更换局部材料，使用方便灵活的优点。

本发明提供的技术方案为：一种用于去除水中重金属的组装式过滤芯，其特征是：包括支架与若干软磁材料构成的过滤片，过滤片组装在支架上形成两端开口的空心立体结构；

沿着每个过滤片的厚度方向的两个表面称为前表面与后表面；每个过滤片上设置若干穿孔，所述穿孔自过滤片的前表面穿透至后表面；

每个过滤片位于所述空心立体结构的侧壁；水流通过所述穿孔进入或者流出所述空心立体结构内腔。

各过滤片的形状可以一致也可以不一致，大小可以一致也可以不一致。各过滤片的形状不限，包括规则形状与不规则形状，规则形状包括矩形、圆形、正多边形、椭圆形等。作为优选，各过滤片的形状、大小一致。

所述过滤片在空心立体结构侧壁的分布不限，作为优选，均匀分布在空心立体结构侧壁。

所述支架材料不限，包括塑料、橡胶等高分子材料。优选TPU、PU等刚、韧性兼顾的材料。

作为一种实现方式，各过滤片的形状、大小一致，彼此存间隔分布在所述空心立体结构侧壁，并且形成规则的分布阵列。

所述空心立体结构不限，包括空心柱状结构、空心锥体结构等。

作为一种实现方式，所述支架上设置若干与过滤片形状相匹配的开孔，所述过滤片设置在开孔中。

所述过滤片在开孔中的连接方式不限，包括嵌入、卡扣、粘结、吸附等中的一种或者几种。

当过滤片设置在开孔中，为了提高过滤片边框与开孔之间的密闭性，优选在过滤片边框设置柔性材料，用于填充与开孔之间的缝隙。

作为一种实现方式，所述空心立体结构为空心柱状结构，其横截面呈环状的正n边形，内正n边形的边长为r_n，外正n边形的边长为R_n时：

作为优选，过滤片呈厚度为h₁的矩形，宽度a优选为

厚度h₁优选为

作为另一种实现方式，所述空心立体结构为空心柱状结构，其横截面呈环状的圆形，内径为r，外径为R，当沿着圆周均匀设置n个过滤片时：

作为优选，过滤片呈厚度为h₂的弧形，弧长b优选为

厚度h₂优选为0<h₂<R-r。

作为优选，所述穿孔的孔径在100um-100mm之间。

作为优选，所述过滤片材质是软磁铁氧体。

所述过滤片的制备方法不限。作为一种实现方式，采用3D打印方法制备，具体为：将软磁材料颗粒分散在包含溶剂、粘合剂、分散剂等的预混液中形成浆料；使用该浆料通过3D打印方法得到过滤片坯体，然后干燥、烧结，得到所述过滤片。

利用本发明的组装式过滤芯去除水中重金属的方法如下：

(1)在水中加入磁性纳米颗粒，磁性纳米颗粒吸附水中的重金属离子；

(2)将所述过滤芯置于磁场中，软磁材质的过滤片在磁场作用下能够吸附磁性纳米颗粒；封闭过滤芯的一端开口，将步骤(1)处理后的水自过滤芯的另一端开口注入其空心结构中，磁性纳米颗粒被过滤片吸附，从而重金属离子被吸附，水从穿孔中流出。

当水中重金属被过滤吸附之后，为了去除吸附在过滤芯上的磁性纳米颗粒，将不添加磁性纳米颗粒的清水构成的冲洗液自过滤芯外侧通过穿孔进入内侧，从而冲洗吸附在过滤芯上的磁性纳米颗粒，然后从开口端流出，称为反冲洗过滤芯。为了进一步深度清洗过滤芯，作为优选，首先去除磁场，然后反冲洗过滤芯。作为进一步优选，冲洗液中加入酸性物质，使冲洗液呈酸性。冲洗时在开口结构中加入酸性物质，重金属离子与磁性纳米颗粒能够分离，从而能够将磁性纳米颗粒回收再利用。

或者，作为优选，首先封闭过滤芯出口端，在过滤芯中加入酸性物质，反冲洗过滤芯，在酸性物质作用下重金属离子与磁性纳米颗粒能够分离，最后打开过滤芯出口端，将磁性纳米颗粒回收再利用。

作为优选，所述磁性纳米颗粒不限，包括复合磁性纳米颗粒，以及经PAA、PEI包覆的磁性纳米颗粒等。

作为优选，所述磁场为可拆卸式，便于安装与去除。

当所述过滤芯中某个或者某几个过滤片发生损坏等情况需要更换时，只需从支架上取出该过滤片，将替换后的过滤片组装在支架上即可。

本发明将用于去除水中重金属的过滤装置中的过滤芯设计为由支架与过滤片构成的组装结构，过滤片组装在支架上，与现有技术相比中的一体式的过滤芯相比具有如下有益效果：

(1)支架选用承载能力、抗冲击性及减震性能突出的材料构成，结构牢固，抗冲击力强，有利于提高过滤芯的寿命；

(2)采用多个过滤片组装在支架上形成过滤芯，一方面，与现有技术中的一体式的过滤芯相比，过滤片结构简单，易制作，因此可降低制备难度，降低成本；另一方面，由于各过滤片彼此独立地组装在支架上，当局部发生损伤时产生的裂纹、内应力等不会扩散至其他过滤片，因此降低了过滤芯的损坏面积，并且只需更换受损伤过滤片即可，降低了成本。

(3)更换过滤片时只需进行取出旧过滤片、组装新芯过滤片，因此更换简单方便。

附图说明

图1是本发明实施例1中过滤芯的结构示意图。

图2是图1中过滤片的结构示意图。

图3是图1中进口端的横截面结构放大图。

图4是本发明实施例2中过滤芯的结构示意图。

图5是图4中过滤片的结构示意图。

图1-5中的附图标记为：过滤芯1、进口端2、出口端3、过滤片4、穿孔5、支架6。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本发明进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

如图1所示，用于去除水中重金属的组装式过滤芯1由支架6与若干软磁铁氧体材料构成的过滤片4组成，过滤片4组装在支架6上形成两端开口的空心柱状结构，一端开口为进口端2，另一端开口为出口端3。

本实施例中，如图2所示，每个过滤片的形状一致、大小一致。沿着每个过滤片的厚度方向的两个表面称为前表面与后表面；每个过滤片上设置若干穿孔5，穿孔直径在100um-100mm之间，每个穿孔5自过滤片的前表面穿透至后表面。水流通过穿孔5进入或者流出空心柱状结构内腔。

本实施例中，支架6上设置若干与过滤片形状相匹配的开孔，开孔与过滤片一一对应，过滤片嵌入、卡扣、粘结或者吸附在开孔中。

本实施例中，如图3所示，空心柱状结构的横截面呈环状的正六边形，内正六边形的边长为r，外正六边形的边长为R，过滤片4为厚度为h₁的矩形，其宽度a为

厚度h₁为

本实施例中，空心柱状结构的每个外侧面的宽度方向设置1个过滤片4，高度方向设置2个过滤片4。每个过滤片4之间存间隔。

本实施例中，支架材料是TPU。

本实施例中，为了提高过滤片4的边框与开孔之间的密闭性，在过滤片4的边框设置柔性材料膨体四氟弹性带，用于填充与开孔之间的缝隙。

本实施例中，采用3D打印方法制备过滤片，具体为：

(1)将平均粒径约2um的镍锌铁氧体粉均匀分散到含有粘合剂PVA、增塑剂PEG、以及少量分散剂ECO-2100的预混液中配制成稳定的浆料；

(2)利用步骤(1)的浆料进行3D打印，得到如图2所示的过滤片坯体，干燥后进行1100℃的高温烧结处理，得到高致密度的镍锌铁氧体过滤片。

利用本实施例中的组装式过滤芯去除过滤水中重金属的方法如下：

将上述制备的过滤片嵌入支架组装出过滤芯，该过滤芯外加一个低至0.07T的可拆卸磁场。封闭过滤芯的出口端3。在含Pb²⁺浓度为1mg/L的污水中加入PAA包覆的Fe₃O₄纳米粒子25mg。将此污水从过滤芯的进口端注入空心柱状结构，水流自过滤芯的穿孔流出，磁性纳米颗粒被过滤芯吸附，从而重金属离子被过滤芯吸附，得到去除重金属离子的水。

结果显示，经上述方法过滤后，流出水溶液近乎透明所有的纳米粒子都可以被很好地捕获，流出水溶液近乎透明。采用ICP-OES测定NPs(铁含量)电感耦合等离子体吸附法测不到明显的铁信号，铁的去除率远高于99％。

本实施例中，组装式过滤芯中过滤片的更换方法包括以下步骤：

在需要更换某个或者某几个过滤片时，去除磁场，通过装置将清水注入过滤芯，冲刷掉过滤片上吸附的磁性纳米颗粒，用磁铁完全吸取出需要更换的旧过滤片，避免碎片遗落在内，再更换上新过滤片。

实施例2：

本实施例中，用于去除水中重金属的组装式过滤芯的结构与实施例1基本相同，所不同的是：如图4所示，空心立体结构是空心圆柱结构；空心圆柱结构的内径为r，外径为R,过滤片呈厚度为h₂的弧形，弧长b优选为

厚度h₂为0<h₂<R-r。

本实施例中，在空心圆柱结构的外侧壁面设置两层过滤片。每层设置6个过滤片，6个过滤片以空心圆柱结构的中心轴形成轴对称。

本实施例中，利用组装式过滤芯去除过滤水中重金属的方法与实施例1相同。

本实施例中，组装式过滤芯中过滤片的更换方法与实施例1相同。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于去除水中重金属的组装式过滤芯，其特征是：包括支架与若干软磁材料构成的过滤片，过滤片组装在支架上形成两端开口的空心立体结构；

沿着每个过滤片的厚度方向的两个表面称为前表面与后表面；每个过滤片上设置若干穿孔，所述穿孔自过滤片的前表面穿透至后表面；

每个过滤片位于所述空心立体结构的侧壁；水流通过所述穿孔进入或者流出所述空心立体结构内腔。

2.如权利要求1所述的组装式过滤芯，其特征是：各过滤片的形状一致、大小一致；

作为优选，所述空心立体结构包括空心柱状结构与空心锥体状结构。

3.如权利要求1所述的组装式过滤芯，其特征是：所述过滤片均匀分布在空心立体结构侧壁；

作为优选，各过滤片彼此存间隔地分布在空心立体结构侧壁，形成规则的分布阵列。

4.如权利要求1所述的组装式过滤芯，其特征是：所述支架上设置若干与过滤片形状相匹配的开孔，所述过滤片设置在开孔中；

作为优选，所述过滤片在开孔中的连接方式包括嵌入、卡扣、粘结、吸附中的一种或者几种；

作为优选，当过滤片设置在开孔中，在过滤片边框设置柔性材料，用于填充与开孔之间的缝隙。

5.如权利要求1所述的组装式过滤芯，其特征是：所述空心立体结构为空心柱状结构，其横截面呈环状的正n边形，内正n边形的边长为r_n，外正n边形的边长为R_n时：

过滤片呈厚度为h₁的矩形，宽度a为

作为优选，厚度h₁为

6.如权利要求1所述的组装式过滤芯，其特征是：所述空心立体结构为空心柱状结构，其横截面呈环状的圆形，内径为r_n，外径为R_n时：

过滤片呈厚度为h₂的弧形，弧长b为

作为优选，厚度h₂为0<h₂<R_n-r_n。

7.如权利要求1所述的组装式过滤芯，其特征是：所述穿孔的孔径为100um-100mm；

作为优选，所述过滤片材质是软磁铁氧体。

8.如权利要求1所述的组装式过滤芯，其特征是：所述过滤片的制备方法为：将软磁材料颗粒分散在包含溶剂、粘合剂、分散剂的预混液中形成浆料；使用该浆料通过3D打印得到过滤片坯体，然后干燥、烧结，得到所述过滤片。

9.如权利要求1所述的组装式过滤芯，其特征是：某个或者某几个过滤片需要更换时，从支架上取出该过滤片，将替换后的过滤片组装在支架上。

10.利用权利要求1至9中任一权利要求所述的组装式过滤芯去除水中重金属的方法，包括如下步骤：

(1)在水中加入磁性纳米颗粒，磁性纳米颗粒吸附水中的重金属离子；

(2)将所述过滤芯置于磁场中；封闭过滤芯的一端开口，将步骤(1)处理后的水自过滤芯的另一端开口注入其空心结构中，磁性纳米颗粒被过滤片吸附，从而重金属离子被吸附，水从穿孔中流出。

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