CN115212652A - 一种含金属有机骨架衍生碳的陶土滤水材料及陶土净水器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于水过滤技术领域的一种含金属有机骨架衍生碳的陶土滤水材料及陶土净水器。所述陶土滤水材料由包括陶土和富马酸铝的原料经800‑1200℃下烧制得到，所述富马酸铝以铝盐和富马酸为原料得到。本发明陶土滤水材料高温烧制过程中，富马酸铝转化为了富马酸铝衍生碳，得到的陶土滤水材料兼具了碳材料的稳定性与富马酸铝的吸附性能，解决了富马酸铝本身需结合载体才能实现吸附即需复杂负载步骤后才能用于吸附的问题，保证了高效去除污染物的同时能减少负载步骤、简化工艺。
Description
技术领域
本发明属于水过滤技术领域，特别涉及一种含金属有机骨架衍生碳的陶土滤水材料及陶土净水器。
背景技术
氟是自然资源环境中具有广泛分布且与人体健康密切相关微量元素之一，人体中2/3的氟来源于饮水，因此饮用水中氟的含量对于人体健康来说十分重要。
氟污染是一个全球问题，主要来源于铝的冶炼、磷矿石加工，多发于中低收入国家，如印度、中国、坦桑尼亚、墨西哥、阿根廷和南非等。我国是世界上受氟污染最严重的国家之一。除上海外，全国有29个省发现氟中毒。华北如内蒙古、山西、河北，西北包括新疆、陕西，以及东部沿海地区如山东、江苏，都是主要流行地区，主要赋存于浅层地下水中。
目前对于地方性高氟饮用水的治理措施有：打低氟深水井、利用地下泉水或低氟山泉水、改用低氟水源等。若无可用低氟水源或没有打新井的可能，可以利用物理化学生物等方法除氟，如：投加吸附剂，膜渗透等使饮用水氟含量达标。但大多数现有方法需要进行对大范围用水进行集中处理，需要较大的施工面积，且处理工艺较为繁琐。因此对偏远地区分散式供水的地区处理效果较差。
现有的饮用水除氟装置则存在价格昂贵、产生消毒副产物、使用寿命短等缺点。因此，需要提供一种除氟效果好且价格低廉的净水材料成为需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含金属有机骨架衍生碳的陶土滤水材料及陶土净水器，具体技术方案如下：
本发明第一方面提供一种含金属有机骨架衍生碳的陶土滤水材料，所述陶土滤水材料由包括陶土和富马酸铝的原料经800-1200℃下烧制得到，所述富马酸铝以铝盐和富马酸为原料得到。
进一步地，所述陶土包括黄陶土和红陶土。
进一步地，所述铝盐中Al3+与富马酸的摩尔比为0.8:1至1.2:1；所述铝盐包括十八水合硫酸铝和/或十四水合硫酸铝。
进一步地，所述富马酸铝通过将铝盐水溶液和碱性富马酸溶液混合反应后过滤、干燥得到。更进一步地，所述碱性富马酸溶液由碱性溶液、富马酸和水以质量比5：6.5：(80-100)配制得到。其中，所述碱性溶液包括氢氧化钠或者氢氧化钾。
进一步地，所述陶土滤水材料还包括造孔剂和水，所述造孔剂包括秸秆粉末和/或米糠粉末。
进一步地，陶土：造孔剂：水：富马酸铝的质量比2：1：(1-1.6)：(0.5-1)。
本发明第二方面提供本发明第一方面所述陶土滤水材料的应用，所述陶土滤水材料用于除氟。
本发明第三方面提供一种陶土净水器，包括本发明第一方面所述的陶土滤水材料。
进一步地，所述陶土净水器还包括陶土过滤盖。
更进一步地，陶土过滤盖由陶土、造孔剂和水以质量比2:(0.8-1.5):1混合后烧制而成，所述造孔剂包括秸秆粉末和/或米糠粉末。
进一步地，其特征在于，所述陶土净水器用于除氟。
本发明的有益效果为：
(1)本发明陶土滤水材料高温烧制过程中，富马酸铝转化为了富马酸铝衍生碳，得到的陶土滤水材料兼具了碳材料的稳定性与富马酸铝的吸附性能，解决了富马酸铝本身需结合载体才能实现吸附即需复杂负载步骤后才能用于吸附的问题，保证了高效去除污染物的同时能减少负载步骤、简化工艺。
(2)本发明提供的陶土滤水材料为由陶土和造孔剂高温煅烧得到的多孔材料，孔隙率大于60％，造孔剂形成的微孔、介孔结构还可以过滤水中颗粒物，具有使用寿命长、内部透气、材料结实耐用等特点，可以持续吸附饮用水中的氟离子，且原材料成本低廉容易获得。
(3)本发明利用陶土滤水材料提供的陶土净水器能够依据当地污染状况、水量大小以及处理目标灵活变换尺寸，具有除氟效率快，除氟能力强，成本低等特点。
附图说明
图1为本发明陶土净水器的结构示意图。
标号说明：1-陶土过滤盖；2-陶土滤水材料层；3-出水开关；4-陶土净水器主体。
具体实施方式
本发明提供了一种含金属有机骨架衍生碳的陶土滤水材料及陶土净水器，下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
对于本发明第一方面提供的含金属有机骨架衍生碳的陶土滤水材料，所述陶土滤水材料由包括陶土和富马酸铝的原料经800-1200℃下烧制得到。
其中，富马酸铝的制备方法具体为：取质量比为19:80的十八水合硫酸铝(Al2(SO4)3·18H2O)或十四水合硫酸铝(Al2(SO4)3·14H2O)粉末与水的溶液，在60-80℃下持续搅拌，记为溶液A。另取氢氧化钠(NaOH)、富马酸(C4H4O4)和水，其质量比分别为5:6.5:(80-100)混合均匀，完全溶解后记为溶液B。将溶液B缓慢倒入加热状态下的溶液A，并继续缓慢加热搅拌2h，该溶液记为溶液C。完成搅拌后，室温下静置48h。随后倒掉溶液C的上层清液，取出白色沉淀并在100℃真空下干燥24h。所得白色粉末为富马酸铝。
其中，陶土包括黄陶土和红陶土。
其中，所述陶土滤水材料还包括造孔剂和水，所述造孔剂包括秸秆粉末和/或米糠粉末。
其中，所述陶土滤水材料的制备方法具体为：将陶土：造孔剂：水：富马酸铝粉末按质量比2：1：(1-1.6)：(0.5-1)均匀混合，在室温及80℃条件下先后干燥36h，干燥完毕后置于高温封闭窑炉中，升温速率为每分钟5℃，在900℃下保持2h，高温煅烧，随后以每分钟3℃的降温速率冷却至室温，即得到陶土滤水材料。
本发明第一方面提供的陶土滤水材料用于除氟。
本发明第三方面提供一种陶土净水器，包括本发明第一方面所述的陶土滤水材料。所述陶土净水器用于除氟。
进一步地，所述陶土净水器还包括陶土过滤盖。更进一步地，陶土过滤盖由陶土、造孔剂和水以质量比2:(0.8-1.5):1混合后烧制而成，所述造孔剂包括秸秆粉末和/或米糠粉末。
具体地，陶土过滤盖的制备方法为：以陶土为基质，以粒径0.1-1mm的秸秆粉末或米糠粉末为造孔剂，按基质：造孔剂：水为2:(0.8-1.5):1比例均匀混合后，通过压模机塑性为半径为220mm，高为40mm，厚20mm的内凹的圆形盖状泥胚。将泥胚分别在室温及80℃条件下干燥36h，干燥完毕后置于高温窑炉中，升温速率为每分钟5℃，在1050℃下保持2h，高温煅烧成型，随后以每分钟3℃降温速率冷却至室温，即得到陶土过滤盖。其中，陶土包括黄陶土和红陶土。
过滤盖的过滤机理是依靠造孔剂形成的微孔、介孔结构形成有效的阻碍层，进水在重力作用下流过孔隙，而粒径较大的颗粒物及微生物被孔隙拦截在净水器外部，实现水质净化。
本发明第一方面提供的陶土滤水材料以圆台的方式存在于陶土净水器中，具体的制备为：将陶土：造孔剂：水：富马酸铝粉末按质量比2：1：(1-1.6)：(0.5-1)均匀混合，并用压膜机塑形成上下半径为165mm、172mm，高为20mm的圆台形泥饼。将所得圆台形泥饼在室温及80℃条件下先后干燥36h，干燥完毕后置于高温封闭窑炉中，升温速率为每分钟5℃，在900℃下保持2h，高温煅烧，随后以每分钟3℃的降温速率冷却至室温，即得到陶土滤水材料层。
陶土滤水材料层的除氟机理为，陶土滤水材料高温烧制过程中，富马酸铝转化为了富马酸铝衍生碳，与铝盐形成金属有机骨架衍生碳，其中含有的大量的羟基自由基取代了水中的氟离子，使得水中的氟离子浓度持续降低，以达到除氟的目的。并且金属有机骨架衍生碳与陶土的多孔结构能够进一步拦截水中的颗粒物，实现二次过滤。
对于本发明第三方面提供的陶土净水器，其主体材质也为陶土材料，具体制备为：以黄陶土或红陶土为基质，按照基质：水为2:1的比例混合后经模具压制制成顶部半径400mm、底部半径260mm、高200mm、厚20mm的水桶状泥胚。将泥胚分别在室温及80℃条件下干燥24h，干燥完毕后置于高温窑炉中，升温速率为每分钟5℃，在950℃下保持2h，高温煅烧成型。随后以每分钟3℃降温速率冷却至室温，即得到陶土净水器主体。
如图1所示，陶土净水器主体4的下方设置出水开关3，将陶土净水器主体4放入储水量为28L塑料桶内，使陶土净水器主体4固定在水桶内壁。将陶土滤水材料层2置入陶土净水器主体4内部，压紧二者边缘使其不会有水流通过；取陶土过滤盖1盖于陶土净水器主体4上端，得到陶土净水器。
将本发明第二方面提供的陶土净水器用于小试系统，进水氟离子浓度为3.2mg/L时，出水的氟离子浓度小于1mg/L；达到了生活饮用水标准。
实施例1
一种陶土净水器包括陶土滤水材料层、过滤盖和陶土净水器主体。其中，陶土净水器主体位于储水量为28L塑料桶内，主体固定在水桶内壁。陶土滤水材料层置于陶土净水器主体内部，陶土过滤盖盖于陶土净水器主体上端。
过滤盖：以红陶土为基质，以粒径0.1-1mm的秸秆粉末为造孔剂，按基质：造孔剂：水为2:0.8:1的比例均匀混合后，通过压模机塑性为半径为220mm，高为40mm，厚20mm的内凹的圆形盖状泥胚，将泥胚分别在室温及80℃条件下干燥36h，干燥完毕后置于窑炉中，升温速率为每分钟5℃，在1050℃下保持2h，高温煅烧成型。随后以每分钟3℃降温速率冷却至室温，得到过滤盖。
陶土滤水材料层：
(1)制备富马酸铝：取质量比为19:80的十八水合硫酸铝粉末与水的溶液，在60-80℃下持续搅拌，记为溶液1。另取氢氧化钠、富马酸、水，其质量比分别为5:6.5:90混合均匀，完全溶解后记为溶液2。将溶液2缓慢倒入加热状态下的溶液1,并继续缓慢加热搅拌2h，该溶液记为溶液3。完成搅拌后，室温下静置48h。随后倒掉溶液3的上层清液，取出白色沉淀并在100℃真空下干燥24h。所得白色粉末为富马酸铝粉末。
(2)制备陶土滤水材料层：将原料按照红陶土：秸秆粉末：水：富马酸铝粉末的质量比2：1：1：0.5均匀混合，并用压膜机制成上下半径为165mm、172mm，高为20mm的圆台形泥饼。将泥饼分别在室温及80℃条件下分别干燥36h，干燥完毕后置于封闭窑炉中，升温速率为每分钟5℃，在900℃下保持2h，高温煅烧成型。随后以每分钟3℃的降温速率冷却至室温，得到陶土滤水材料层。
陶土净水器主体：以红陶土为基质，按照基质：水为2:1的比例混合后经模具压制制成顶部半径400mm，底部半径260mm、高200mm、厚20mm的水桶状泥胚。将泥胚在室温及80℃条件下分别干燥24h，干燥完毕后置于高温窑炉中，升温速率为每分钟5℃，在950℃下保持2h，高温煅烧成型。随后以每分钟3℃降温速率冷却至室温。成型后在洞口加装水流开关，方便水流流出。加装的水流开关能够在无水桶的情形下释放储存过滤后的饮用水。
实施例2
一种陶土净水器包括陶土滤水材料层、过滤盖和陶土净水器主体。其中，陶土净水器主体位于储水量为28L塑料桶内，主体固定在水桶内壁。陶土滤水材料层置于陶土净水器主体内部，陶土过滤盖盖于陶土净水器主体上端。
过滤盖：以黄陶土为基质，以粒径0.1-1mm的米糠粉末为造孔剂，按基质：造孔剂：水为2:1.1:1的比例均匀混合后，通过压模机塑性为半径为220mm，高为40mm，厚20mm的内凹的圆形盖状泥胚，将泥胚分别在室温及80℃条件下干燥36h，干燥完毕后置于窑炉中，升温速率为每分钟5℃，在1050℃下保持2h，高温煅烧成型。随后以每分钟3℃降温速率冷却至室温，得到过滤盖。
陶土滤水材料层：
(1)制备富马酸铝：取质量比为19:80的十四水合硫酸铝粉末与水的溶液，在60-80℃下持续搅拌，记为溶液1。另取氢氧化钠，富马酸，水，其质量比分别为5:6.5:90混合均匀，完全溶解后记为溶液2。将溶液2缓慢倒入加热状态下的溶液1,并继续缓慢加热搅拌2h，该溶液记为溶液3。完成搅拌后，室温下静置48h。随后倒掉溶液3的上层清液，取出白色沉淀并在100℃真空下干燥24h。所得白色粉末为富马酸铝。
(2)制备陶土滤水材料层：将原料按照黄陶土：米糠粉末：水：富马酸铝粉末按质量比2：1：1.1：0.8均匀混合，并用压膜机制成上下半径为165mm、172mm,高为20mm的圆台形泥饼。将泥饼分别在室温及80℃条件下分别干燥36h，干燥完毕后置于封闭窑炉中，升温速率为每分钟5℃，在900℃下保持2h，高温煅烧成型。随后以每分钟3℃的降温速率冷却至室温，得到陶土滤水材料层。
陶土净水器主体：以黄陶土为基质，按照基质：水为2:1的比例混合后经模具压制制成顶部半径400mm，底部半径260mm，高200mm，厚20mm的水桶状泥胚。将泥胚在室温及80℃条件下分别干燥24h，干燥完毕后置于高温窑炉中，升温速率为每分钟5℃，在950℃下保持2h，高温煅烧成型。随后以每分钟3℃降温速率冷却至室温。成型后在洞口加装水流开关，方便水流流出。加装的水流开关能够在无水桶的情形下释放储存过滤后的饮用水。
对比例1
不含陶土滤水材料层的一种陶土净水器，包括过滤盖和陶土净水器主体。其中，陶土净水器主体位于储水量为28L塑料桶内，主体固定在水桶内壁，陶土过滤盖盖于陶土净水器主体上端。
过滤盖：以黄陶土为基质，以粒径0.1-1mm的米糠粉末为造孔剂，按基质：造孔剂：水为2:1.1:1的比例均匀混合后，通过压模机塑性为半径为220mm，高为40mm，厚20mm的内凹的圆形盖状泥胚，将泥胚分别在室温及80℃条件下干燥36h，干燥完毕后置于窑炉中，升温速率为每分钟5℃，在1050℃下保持2h，高温煅烧成型。随后以每分钟3℃降温速率冷却至室温，得到过滤盖。
陶土净水器主体：以黄陶土为基质，按照基质：水为2:1的比例混合后经模具压制制成顶部半径400mm，底部半径260mm，高200mm，厚20mm的水桶状泥胚。将泥胚在室温及80℃条件下分别干燥24h，干燥完毕后置于高温窑炉中，升温速率为每分钟5℃，在950℃下保持2h，高温煅烧成型。随后以每分钟3℃降温速率冷却至室温。成型后在洞口加装水流开关，方便水流流出。加装的水流开关能够在无水桶的情形下释放储存过滤后的饮用水。
采集体积为5L，进水的氟离子浓度为3.2mg/L的高氟饮用水，将实施例1、2和对比例1提供的陶土净水器处理采集的高氟饮用水，处理8小时后，实施例1、2陶土净水器的出水中的氟离子浓度为0.9mg/L，且其它水质常规指标均未超过限值，符合生活饮用水的标准。对比例1的陶土净水器出水中的氟离子浓度为3.1mg/L,高于现有生活饮用水标准，不符合生活饮用水的标准。
Claims (10)
1.一种含金属有机骨架衍生碳的陶土滤水材料，其特征在于，所述陶土滤水材料由包括陶土和富马酸铝的原料经800-1200℃下烧制得到，所述富马酸铝以铝盐和富马酸为原料得到。
2.根据权利要求1所述的陶土滤水材料，其特征在于，所述铝盐中Al3+与富马酸的摩尔比为0.8:1至1.2:1。
3.根据权利要求1所述的陶土滤水材料，其特征在于，所述富马酸铝通过将铝盐水溶液和碱性富马酸溶液混合反应后过滤、干燥得到。
4.根据权利要求1所述的陶土滤水材料，其特征在于，所述陶土滤水材料还包括造孔剂和水，所述造孔剂包括秸秆粉末和/或米糠粉末。
5.根据权利要求1所述的陶土滤水材料，其特征在于，陶土：造孔剂：水：富马酸铝的质量比2：1：(1-1.6)：(0.5-1)。
6.权利要求1-5任一项所述陶土滤水材料得应用，所述陶土滤水材料用于除氟。
7.一种陶土净水器，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的陶土滤水材料。
8.根据权利要求7所述的陶土净水器，其特征在于，还包括陶土过滤盖。
9.根据权利要求8所述的陶土净水器，其特征在于，陶土过滤盖由陶土、造孔剂和水以质量比2:(0.8-1.5):1混合后烧制而成，所述造孔剂包括秸秆粉末和/或米糠粉末。
10.根据权利要求7所述的陶土净水器，其特征在于，所述陶土净水器用于除氟。
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