CN115215499A - 一种家用式多效陶瓷净水器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于环境工程技术领域的一种家用式多效陶瓷净水器及其制作方法。所述陶瓷净水器外壳为储水容器，储水容器顶、底端分别为进、出水端；沿水流方向，储水容器内部依次间隔布设多孔陶罐和镂空夹层板，柱状活性炭置于开设有镂空孔洞的镂空夹层板上；出水端设置出水阀；净水过程中，利用多孔结构截留除菌，并通过纳米氧化铈有效吸附水中的重金属砷污染，同时纳米氧化铈在光照条件下产生的光催化作用可去除有机污染物并加强杀菌效果，最后，水流流经中间夹层的活性炭，进一步吸附水中残余的有机污染物。该净水器实现了污染物的多效去除，兼具价格低廉、易于操作的优势，在实用性和功能性上均可满足居民的饮水需求。
Description
技术领域
本发明属于环境工程技术领域，尤其涉及一种具有复合除污功能的家用式简易陶瓷净水器及其制作方法。
背景技术
由于我国工业的快速发展，大量的淡水资源遭到破坏，我国三江、三湖的水质均已受到不同程度的污染，其中砷污染因其生物蓄积性和不可降解性而被广泛关注。我国水资源中的砷污染问题非常严重，据统计，我国大约有1958万人生活在地下水砷浓度超标的地区，饮用水中的砷污染严重危害着当地居民的健康。在发达的城镇地区，常采用集中式净水系统来保障用水安全，然而在偏远的农村地区，由于居住分散、成本和技术受限，集中式净水系统还远未普及，农村地区的水处理设施落后，常存在处理后水质仍不达标的情况，安全饮用水的供给难以保障。
考虑到农村地区的区域特性，需要一种经济、便捷的家用式净水器来缓解安全饮用水短缺的现状。如今国际上采用的多孔陶罐过滤装置在农村地区较为适用，虽然其具有价格低廉、易于操作的优点，但功能单一，仅能处理水中的细菌物质，无法进一步去除饮用水中的砷污染，而砷污染给人带来的潜在危害不容忽视，因此仅具有除菌效果的过滤装置难以满足居民的饮水安全需求。
为解决我国农村地区的饮水安全问题，并改进多孔陶罐过滤装置的水处理功能单一的缺陷，亟待设计一种家用式多效陶瓷净水器并提供其制作方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种负载了纳米氧化铈的多孔陶瓷净水器，可达到复合除污的效果，利用陶瓷净水器的多孔结构截留除菌，利用负载的纳米氧化铈有效吸附水中的砷污染，同时纳米氧化铈在光照条件下产生的光催化作用可去除有机污染物并加强杀菌效果，最后，水流流经中间夹层的活性炭，进一步吸附水中残余的有机污染物。该净水器实现了污染物的多效去除，兼具价格低廉、易于操作的优势，在实用性和功能性上均可满足居民的饮水需求。
具体来说，本发明提供了如下技术方案：
一种家用式陶瓷净水器，所述陶瓷净水器外壳为储水容器，储水容器(2)顶端为进水端，底端为出水端；沿水流方向，储水容器内部依次间隔布设多孔陶罐(1)和镂空夹层板(4)，柱状活性炭(3)置于开设有镂空孔洞(5)的镂空夹层板(4)上；出水端设置出水阀(6)；
净水过程中，水流由进水端进入储水容器，并经多孔陶罐(1)进水侧表面渗透至出水侧表面，经柱状活性炭(3)和镂空夹层板(4)，于镂空孔洞(5)中流入储水容器出水端，最后由出水阀(6)排出；
所述多孔陶罐(1)的进水侧表面负载纳米氧化铈涂层。
在一些优选的实施方案中，纳米氧化铈涂层的负载方法如下：
1)将纳米氧化铈颗粒加入去离子水中，置于超声器中超声分散10-30分钟，再用磁力搅拌器磁搅拌1-1.5小时，制成纳米氧化铈悬浊液；
2)将步骤1)中所得的纳米氧化铈悬浊液涂刷于多孔陶罐(1)的进水侧表面，涂刷完成后自然烘干，待烘干后再次进行涂刷，反复完成共3次涂刷；
3)将步骤2)中所得的多孔陶罐(1)用去离子水反复冲洗三次后烘干，得到负载了纳米氧化铈涂层的多孔陶罐(1)。
在一些优选的实施方案中，氧化铈的制备方法为水热法或共沉淀法，具体步骤如下：
a)水热法：
a-1)将六水合硝酸铈和氢氧化钠颗粒分别溶解于去离子水中，制备铈前驱体溶液和氢氧化钠溶液；
a-2)在持续搅拌下，将步骤a-1)中制备好的氢氧化钠溶液滴加到铈前驱体溶液中；
a-3)将步骤a-2)中所得混合物转移到高压反应釜中，将反应釜放入烘箱在180-200℃的条件下反应5至8小时，待装置冷却后取出得到的沉淀物；
a-4)将步骤a-3)中所得的沉淀物用乙醇溶液离心洗涤，以去除沉淀物表面的有机物，然后再用去离子水离心洗涤；
a-5)将步骤a-4)中清洗过的沉淀物放入烘箱中，在50-80℃的条件下干燥24至36小时，确保沉淀物中的水分完全蒸发；
a-6)将步骤a-5)中干燥的沉淀物置于马弗炉中，在400-500℃的条件下煅烧，待冷却后得到纳米氧化铈粉末；
或：
b)共沉淀法：
b-1)将六水合硝酸铈和氢氧化钠颗粒分别溶解于去离子水中，制备铈前驱体溶液和氢氧化钠溶液；
b-2)将步骤b-1)中所得的铈前驱体溶液不断搅拌并向其中滴入氢氧化钠溶液，所得混合溶液持续搅拌30-60分钟；
b-3)将步骤b-2)中所得的均与混合的溶液在室温下静置，使其自然沉淀；
b-4)将步骤b-3)中所得的沉淀物用乙醇溶液离心洗涤，以去除沉淀物表面的有机物，然后再用去离子水离心洗涤；
b-5)将步骤b-4)中清洗过的沉淀物放入烘箱中，在50-80℃的条件下干燥24至36小时，确保沉淀物中的水分完全蒸发，待冷却后得到纳米氧化铈粉末。
在一些优选的实施方案中，所述铈前驱体溶液的浓度为0.5-1.0M；氢氧化钠溶液的浓度为0.08～0.15M。
在一些优选的实施方案中，所述多孔陶罐的制作方法如下：
I)将粒径为0.15-0.20mm的稻壳粉末与陶土粉末混合均匀，随后向粉末状混合物中加入一定量的水并不断搅拌，制成泥状混合物，其中稻壳所占比例为15％-20％(以质量分数计)，加入的水量占比为25％-35％(以质量分数计)；
II)将步骤I)中混合均匀的泥状混合物置于罐状模具内，用压力机压制成型；
III)将步骤II)中成型的陶罐在室温下风干，蒸发所有水分；
IV)将步骤III)中成型的干燥陶罐置于电窑炉中煅烧，制成多孔陶罐。
所述多孔陶罐的厚度为1.0-2.0cm，优选为1.5cm。
在一些优选的实施方案中，所述多孔陶罐置于所述储水容器内，多孔陶罐的边缘嵌套在储水容器的顶部。
在一些优选的实施方案中，所述镂空夹层板置于所述储水容器中部，镂空夹层板的大小与储水容器的尺寸吻合，保证镂空夹层板和储水容器的连接处无缝隙，使水流从镂空孔洞流出。
在一些优选的实施方案中，所述储水容器的镂空夹层板与储水容器底部、出水阀之间形成储水区。整个净水器的支撑结构，可储存净化后的饮用水。
在一些优选的实施方案中，所述柱状活性炭以煤、木屑为原料制成，吸附水中的有机污染物。
在一些优选的实施方案中，所述镂空孔洞的孔径小于柱状活性炭的直径，镂空孔洞均匀分布于镂空夹层板上；所述镂空夹层板的材质为食品级塑料聚丙烯(PP)。
在一些优选的实施方案中，所述储水容器的材质为食品级塑料聚丙烯(PP)，外观形状为倒置的圆台。
在一些优选的实施方案中，所述出水阀为控制开关，打开出水阀取用净化后的饮用水。
本发明的有益效果在于：
1、本发明提供了一种家用式简易陶瓷净水器，具有复合除污的功能，所述陶瓷净水器制作成本低廉，运行操作简单。所述陶瓷净水器利用多孔陶瓷罐可有效截留水中的悬浮物质和细菌，所述多孔陶瓷罐表面的纳米氧化铈涂层可同时充分去除水中的砷污染和有机污染物，置于镂空夹层板层的柱状活性炭可进一步吸附水中残余的有机污染物，实现原水的多效净化，保障农村居民的饮水安全。
2、本发明提供了一种家用式简易陶瓷净水器，具有复合除污的功能，能同时去除水中的大肠杆菌、悬浮颗粒、金属废水离子(包括但不限于含五价砷的水体)、有机废水(包括但不限于含重铬酸钾的水体)。其中，对水中大肠杆菌、水中悬浮颗粒的去除率达99％以上；对五价砷或金属废水的去除率可达85％-95％；对重铬酸钾或有机废水的去除率可达70％-80％。
3、采用本发明家用式多效陶瓷净水器对水中大肠杆菌的去除率达99％以上；其中，当进水中大肠杆菌的浓度低于105CFU/mL时，经陶瓷净水器过滤，出水中大肠杆菌的浓度可低于1CFU/mL；
对水中悬浮颗粒的去除率达99％以上；其中，当进水浊度不低于200NTU时，经陶瓷净水器过滤后的水样浊度可低于1NTU；
当进水中五价砷或其他金属废水中离子浓度为100mg/L以上时，经陶瓷净水器过滤后，对五价砷或金属废水的去除率可达85％-95％；
当进水中重铬酸钾溶液或有机废水中有机物浓度为100mg/L以上时，经陶瓷净水器过滤后，对重铬酸钾或有机废水的去除率可达70％-80％。
附图说明
图1为本发明家用式多效陶瓷净水器的结构示意图；
图2为多孔陶罐部件侧视图；
图3为镂空夹层板部件俯视图。
其中：
1-多孔陶罐：表面负载纳米氧化铈涂层，用于去除水中的悬浮物质、重金属砷和有机物污染以及细菌，陶瓷罐边缘与储水桶顶部边缘相嵌套固定；
2-储水容器：整个净水器的支撑结构，可储存净化后的饮用水；
3-柱状活性炭：用于吸附水中残余的有机污染物；
4-镂空夹层板：位于储水桶中部，边缘与储水桶内部侧面相连，上面均匀放置一层柱状活性炭；
5-镂空孔洞：镂空夹层板均匀密布镂空孔洞，便于水流流出；
6-出水阀：用于控制净化后水的取用。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
实施例1
如图1-3所示，陶瓷净水器包含部件如下：多孔陶罐1：表面负载纳米氧化铈涂层，用于去除水中的悬浮物质、砷污染、有机污染物以及细菌，陶瓷罐边缘与储水桶顶部边缘相嵌套固定；储水容器2：整个净水器的支撑结构，可储存净化后的饮用水；柱状活性炭3：用于进一步吸附水中残余的有机污染物；镂空夹层板4：位于储水桶中部，边缘与储水桶内部侧面相连，上面均匀放置一层柱状活性炭；镂空孔洞5：镂空夹层板均匀密布镂空孔洞，便于水流流出；出水阀6：用于控制净化后水的取用。
实施例2
所述多孔陶罐的制作原料为稻壳、陶土和水。将稻壳粉末用80目和100目的筛网进行筛分，得到粒径为0.15-0.20mm的稻壳粉末，与研磨后的陶土混合均匀，加入水使粉末完全润湿并搅拌成均匀的泥状，其中稻壳的质量分数为18％，水的质量分数为30％。取一定量的泥状混合物置于罐状模具内，用压力机压制成厚度为1.5cm的陶罐，共压制三次，每次保持压力2分钟。成型的陶罐在室温下风干3天，干燥后的陶罐置于电窑炉中煅烧，设定升温速度为2℃/h，待温度升至1000℃后，在该温度下烧制1小时，得到煅烧好的多孔陶罐。
实施例3
采用水热法制备纳米氧化铈颗粒。
水热制备的具体方法为：
a-1)取一定量的六水合硝酸铈溶解于去离子水中，制备浓度为1M的铈前驱体溶液；
取一定量的氢氧化钠颗粒溶解于去离子水中，制备浓度为0.1M的氢氧化钠溶液；
a-2)在持续搅拌下，将氢氧化钠溶液逐步滴加到铈前驱体溶液中，两种溶液的混合物在室温下继续搅拌十分钟；
a-3)将混合均匀的两种溶液的混合物转移到高压反应釜中,将反应釜密封放入烘箱在180℃的条件下反应6小时，待装置冷却后取出得到的沉淀物；
a-4)将沉淀物用乙醇溶液离心洗涤2次，然后再用去离子水离心洗涤2次；
a-5)将清洗过的沉淀物放入烘箱中，在60℃下干燥24小时；
a-6)待完全干燥后，将沉淀物置于马弗炉中，在500℃的条件下煅烧2小时，得到纳米氧化铈粉末。
实施例4
采用共沉淀法制备纳米氧化铈颗粒。
共沉淀制备的具体方法为：
b-1)取一定量的六水合硝酸铈溶解于去离子水中，制备浓度为0.5M的铈前驱体溶液；取一定量的氢氧化钠颗粒溶解于去离子水中，制备浓度为0.1M的氢氧化钠溶液；
b-2)不断搅拌铈前驱体溶液，向其中滴加氢氧化钠溶液，持续搅拌三十分钟；
b-3)将混合均与的溶液在室温下静置24小时；
b-4)将上述静置得到的沉淀物用乙醇溶液离心洗涤2次，然后再用去离子水离心洗涤2次；
b-5)将清洗过的沉淀物放入烘箱中，在60℃的条件下干燥24小时得到纳米氧化铈粉末。
实施例3和实施例4两种纳米氧化铈颗粒的制备方法各有优点。其中采用水热法制备的纳米氧化铈颗粒具有形态规则的立方结构，分散良好且均匀，结晶良好且纯度高。而采用共沉淀法制备的纳米氧化铈颗粒是随机定向的、聚合的，结晶度较低，但该方法无需高温高压的实验条件，设备要求低，工艺节能，操作简单，成本低廉，可根据实际应用场景选择不同的制备方法。
实施例5
上述实施例3纳米氧化铈涂层的负载方法具体为：
1)取一定量实施例3制备得到的纳米氧化铈颗粒加入去离子水中，配置成浓度为0.05g/mL的纳米氧化铈分散液；将分散液超声分散20分钟后再经磁力磁搅拌1小时得到纳米氧化铈悬浊液；
2)将混合均匀的纳米氧化铈悬浊液涂刷于多孔陶罐内表面，涂刷完成后自然烘干，待烘干后再次进行涂刷，反复涂刷三次；
3)将负载了纳米氧化铈多孔陶罐用去离子水冲洗三次后置于烘箱中，经100℃高温烘干得到负载了纳米氧化铈的陶瓷罐。
实施例6
上述实施例4纳米氧化铈涂层的负载方法具体为：
1)取一定量实施例4制备得到的纳米氧化铈颗粒加入去离子水中，配置成浓度为0.05g/mL的纳米氧化铈分散液；将分散液超声分散20分钟后再经磁力磁搅拌1小时得到纳米氧化铈悬浊液；
2)将混合均匀的纳米氧化铈悬浊液涂刷于多孔陶罐内表面，涂刷完成后自然烘干，待烘干后再次进行涂刷，反复涂刷三次；
3)将负载了纳米氧化铈多孔陶罐用去离子水冲洗三次后置于烘箱中，经100℃高温烘干得到负载了纳米氧化铈的陶瓷罐。
由于上述实施例5和实施6采用两种制备方法制成的纳米氧化铈颗粒表现出不同的形貌特征，其对污染物表现出不同的去除性能。负载涂层对重金属和有机污染物的去除效果以及抗菌强度不仅取决于纳米粒子，还取决于合成纳米粒子的形状。水热法制备的纳米氧化铈颗粒具有形态规则的立方结构，将获得大量暴露的稳定反应平面，可有效强化纳米颗粒的光催化效果和吸附性能，水热法制备的纳米氧化铈颗粒的吸附能力为共沉淀法制备的纳米氧化铈颗粒的两倍以上。
实施例7
利用上述实施例中的多孔陶罐和纳米氧化铈颗粒制备家用式陶瓷净水器，其中陶瓷净水器外壳为储水容器，储水容器2顶端为进水端，底端为出水端；沿水流方向，储水容器内部依次间隔布设进水侧表面负载纳米氧化铈涂层的多孔陶罐1和镂空夹层板4，柱状活性炭3置于开设有镂空孔洞5的镂空夹层板4上；出水端设置出水阀6；
净水过程中，水流由进水端进入储水容器，并经多孔陶罐1进水侧表面渗透至出水侧表面，经柱状活性炭3和镂空夹层板4，于镂空孔洞5中流入储水容器出水端，最后由出水阀6排出。
上述得到的多孔陶罐具有复合除污的功能，不仅仅是只针对单一污染物设计，而是实现污染物多效去除的净水装置。对于水体中普遍存在的悬浮颗粒、细菌、重金属离子以及有机污染物均表现出优良的去除效果。
采用大肠杆菌模拟含菌废水，当进水中大肠杆菌的浓度低于105CFU/mL时，经陶瓷净水器过滤，出水中大肠杆菌的浓度可低于1CFU/mL，对水中大肠杆菌的去除率高于99％。
将高岭土分散在去离子水中，配置浊度为200NTU的原水以模拟水中的悬浮颗粒，经陶瓷净水器过滤后的水样浊度可低于1NTU，对水中悬浮颗粒的去除率高于99％。
采用浓度为100mg/L的五价砷溶液模拟重金属废水，经上述陶瓷净水器过滤后，对五价砷的去除率可达85％-95％。
采用浓度为100mg/L的重铬酸钾溶液模拟有机废水，经上述陶瓷净水器过滤后，对重铬酸钾的去除率可达70％-80％。
Claims (10)
1.一种家用式陶瓷净水器，其特征在于，所述陶瓷净水器外壳为储水容器，储水容器(2)顶端为进水端，底端为出水端；沿水流方向，储水容器内部依次间隔布设多孔陶罐(1)和镂空夹层板(4)，柱状活性炭(3)置于开设有镂空孔洞(5)的镂空夹层板(4)上；出水端设置出水阀(6)；
净水过程中，水流由进水端进入储水容器，并经多孔陶罐(1)进水侧表面渗透至出水侧表面，经柱状活性炭(3)和镂空夹层板(4)，于镂空孔洞(5)中流入储水容器出水端，最后由出水阀(6)排出；
所述多孔陶罐(1)的进水侧表面负载纳米氧化铈涂层。
2.根据权利要求1中所述陶瓷净水器，其特征在于，纳米氧化铈涂层的负载方法如下：
1)将纳米氧化铈颗粒加入去离子水中，置于超声器中超声分散10-30分钟，再用磁力搅拌器磁搅拌1-1.5小时，制成纳米氧化铈悬浊液；
2)将步骤1)中所得的纳米氧化铈悬浊液涂刷于多孔陶罐(1)的进水侧表面，涂刷完成后自然烘干，待烘干后再次进行涂刷，反复完成共3次涂刷；
3)将步骤2)中所得的多孔陶罐(1)用去离子水反复冲洗三次后烘干，得到负载了纳米氧化铈涂层的多孔陶罐(1)。
3.根据权利要求1或2所述陶瓷净水器，其特征在于，所述氧化铈的制备方法为水热法或共沉淀法，具体步骤如下：
a)水热法：
a-1)将六水合硝酸铈和氢氧化钠颗粒分别溶解于去离子水中，制备铈前驱体溶液和氢氧化钠溶液；
a-2)在持续搅拌下，将步骤a-1)中制备好的氢氧化钠溶液滴加到铈前驱体溶液中；
a-3)将步骤a-2)中所得混合物转移到高压反应釜中，将反应釜放入烘箱在180-200℃的条件下反应5至8小时，待装置冷却后取出得到的沉淀物；
a-4)将步骤a-3)中所得的沉淀物用乙醇溶液离心洗涤，以去除沉淀物表面的有机物，然后再用去离子水离心洗涤；
a-5)将步骤a-4)中清洗过的沉淀物放入烘箱中，在50-80℃的条件下干燥24至36小时，确保沉淀物中的水分完全蒸发；
a-6)将步骤a-5)中干燥的沉淀物置于马弗炉中，在400-500℃的条件下煅烧，待冷却后得到纳米氧化铈粉末；
或：
b)共沉淀法：
b-1)将六水合硝酸铈和氢氧化钠颗粒分别溶解于去离子水中，制备铈前驱体溶液和氢氧化钠溶液；
b-2)将步骤b-1)中所得的铈前驱体溶液不断搅拌并向其中滴入氢氧化钠溶液，所得混合溶液持续搅拌30-60分钟；
b-3)将步骤b-2)中所得的均与混合的溶液在室温下静置，使其自然沉淀；
b-4)将步骤b-3)中所得的沉淀物用乙醇溶液离心洗涤，以去除沉淀物表面的有机物，然后再用去离子水离心洗涤；
b-5)将步骤b-4)中清洗过的沉淀物放入烘箱中，在50-80℃的条件下干燥24至36小时，确保沉淀物中的水分完全蒸发，待冷却后得到纳米氧化铈粉末。
4.根据权利要求1或2所述陶瓷净水器，其特征在于，所述多孔陶罐的制作方法如下：
I)将粒径为0.15-0.20mm的稻壳粉末与陶土粉末混合均匀，随后向粉末状混合物中加入一定量的水并不断搅拌，制成泥状混合物，其中稻壳所占比例为15％-20％(以质量分数计)，加入的水量占比为25％-35％(以质量分数计)；
II)将步骤I)中混合均匀的泥状混合物置于罐状模具内，用压力机压制成型；
III)将步骤II)中成型的陶罐在室温下风干，蒸发所有水分；
IV)将步骤III)中成型的干燥陶罐置于电窑炉中煅烧，制成多孔陶罐。
5.根据权利要求1中所述陶瓷净水器，其特征在于，所述多孔陶罐的厚度为1.0-2.0cm，优选为1.5cm。
6.根据权利要求1中所述陶瓷净水器，其特征在于，所述多孔陶罐置于所述储水容器内，多孔陶罐的边缘嵌套在储水容器的顶部。
7.根据权利要求1中所述陶瓷净水器，其特征在于，所述镂空夹层板置于所述储水容器中部，镂空夹层板的大小与储水容器的尺寸吻合，保证镂空夹层板和储水容器的连接处无缝隙，使水流从镂空孔洞流出。
8.根据权利要求1中所述陶瓷净水器，其特征在于，所述储水容器的镂空夹层板与储水容器底部、出水阀之间形成储水区。
9.根据权利要求1中所述陶瓷净水器，其特征在于，所述柱状活性炭以煤、木屑为原料制成，吸附水中的有机污染物。
10.根据权利要求1中所述陶瓷净水器，其特征在于，所述镂空孔洞的孔径小于柱状活性炭的直径，镂空孔洞均匀分布于镂空夹层板上；所述镂空夹层板的材质为食品级塑料聚丙烯(PP)；所述储水容器的材质为食品级塑料聚丙烯(PP)，外观形状为倒置的圆台。
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